KR102587961B1

KR102587961B1 - 색분리 렌즈 어레이를 구비하는 이미지 센서 및 이를 포함하는 전자 장치

Info

Publication number: KR102587961B1
Application number: KR1020210103467A
Authority: KR
Inventors: 안성모; 노숙영; 이상윤; 문상은; 윤석호
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2021-08-05
Filing date: 2021-08-05
Publication date: 2023-10-11
Also published as: KR20230021512A; US20230044798A1

Abstract

색분리 렌즈 어레이를 구비하는 이미지 센서 및 전자 장치를 개시한다. 개시된 이미지 센서는, 복수의 제1화소 및 복수의 제2화소를 포함하며 제1화소 및 제2화소를 포함하는 단위 화소의 2차원 배열을 가지는 센서 기판, 및 제1 파장의 광을 각각의 제1 화소로 집광하고 제2 파장의 광을 각각의 제2 화소로 집광하는 색분리 렌즈 어레이를 구비하며, 단위 화소의 적어도 일 화소는 DTI 구조에 의해 전기적으로 분리되어 독립적으로 광을 감지하는 복수의 광감지셀을 포함한다. 색분리 렌즈 어레이는 DTI 구조를 벗어난 위치로 광을 집광시키도록 마련된다.

Description

색분리 렌즈 어레이를 구비하는 이미지 센서 및 이를 포함하는 전자 장치 {Image sensor including color separating lens array and electronic apparatus including the same}

입사광을 파장 별로 분리하여 집광할 수 있는 색분리 렌즈 어레이를 구비하는 이미지 센서 및 이를 포함하는 전자 장치에 관한 것이다.

이미지 센서는 통상적으로 컬러 필터를 이용하여 입사광의 색을 감지한다. 그런데, 컬러 필터는 해당 색의 빛을 제외한 나머지 색의 빛을 흡수하기 때문에 광 이용 효율이 저하될 수 있다. 예를 들어, RGB 컬러 필터를 사용하는 경우, 입사광의 1/3만을 투과시키고 나머지 2/3는 흡수하여 버리게 되므로 광 이용 효율이 약 33% 정도에 불과하다. 따라서, 컬러 디스플레이 장치나 컬러 이미지 센서의 경우, 대부분의 광 손실이 컬러 필터에서 발생하게 된다.

입사광을 파장 별로 분리하여 집광할 수 있는 색분리 렌즈 어레이를 이용하여 광 이용 효율이 향상된 이미지 센서 및 이미지 센서를 포함하는 전자 장치를 제공한다.

일 유형에 따른 이미지 센서는, 제1파장의 광을 감지하는 복수의 제1화소 및 제1파장과 상이한 제2파장의 광을 감지하는 복수의 제2화소를 포함하며, 상기 제1화소 및 제2화소를 포함하는 단위 화소의 2차원 배열을 가지는 센서 기판; 및 상기 제1 파장의 광의 위상을 변경하여 상기 제1 파장의 광을 각각의 제1 화소로 집광하고 상기 제2 파장의 광의 위상을 변경하여 상기 제2 파장의 광을 각각의 제2 화소로 집광하는 색분리 렌즈 어레이;를 구비하며, 상기 단위 화소의 적어도 일 화소는 제1 방향 및 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향 중 적어도 한 방향으로 배열되고, DTI 구조에 의해 전기적으로 분리되어 독립적으로 광을 감지하는 복수의 광감지셀을 포함하며, 상기 색분리 렌즈 어레이와 상기 센서 기판의 간격을 h, 상기 센서 기판의 화소에 대해 이에 대응하는 상기 색분리 렌즈 어레이의 영역이 수직 방향에 대해 이루는 각도를 θ1이라 할 때, 상기 색분리 렌즈 어레이는 상기 복수의 광감지셀 간 DTI 구조 상에서 수평 방향으로 h*tan(θ1)만큼 이격된 제1위치에 나노포스트가 위치하지 않도록 된 나노포스트 배열을 포함하여, 상기 색분리 렌즈 어레이에 의해 상기 DTI 구조를 벗어난 위치로 광을 집광시키도록 마련될 수 있다.

상기 복수의 광감지셀은, 상기 제1방향을 따라 배열된 제1광감지셀 및 제2광감지셀, 상기 제1광감지셀 및 제2광감지셀에 대해 상기 제2방향으로 배열된 제3광감지셀 및 제4광감지셀을 포함하며, 상기 제1광감지셀 및 제2광감지셀과 상기 제3광감지셀 및 제4광감지셀 간 상기 제1방향을 따르는 DTI 구조를 제1 DTI 구조, 상기 제1광감지셀 및 제3광감지셀과 상기 제2광감지셀 및 제4광감지셀 간 상기 제2방향을 따르는 DTI 구조를 제2 DTI 구조라 할 때, 상기 나노포스트 배열은 상기 제1 DTI 구조와 상기 제2 DTI 구조의 교차점 상에서 수평 방향으로 상기 제1위치에 나노포스트가 위치하지 않도록 마련될 수 있다.

상기 나노포스트 배열은 상기 제1 DTI 구조 및 제2 DTI 구조 중 적어도 하나 상에서 수평 방향으로 상기 제1위치에 나노포스트가 위치하지 않도록 마련될 수 있다.

상기 제1 내지 제4광감지셀 각각은 하나의 포토다이오드를 포함하거나, 상기 제1방향을 따라 배열된 복수의 포토다이오드를 포함할 수 있다.

상기 나노포스트 배열은, 상기 DTI 구조의 교차점상에서 수평 방향으로 상기 제1위치에 가까운 위치에서 상기 제1위치에서 멀어지는 방향으로 추가적인 변위가 적용된 이탈 나노포스트를 포함할 수 있다.

상기 나노포스트 배열은 배열 구조 격자점 중 적어도 일부에 나노포스트들이 배열되도록 마련되며, 상기 배열 구조 격자점은 상기 DTI 구조의 교차점 상에서 수평 방향으로 상기 제1위치에 위치하지 않도록 마련될 수 있다.

상기 나노포스트는 상기 배열 구조 격자점 중 일부나 전부에 위치할 수 있다.

상기 DTI 구조의 교차점 상에서 수평 방향으로 상기 제1위치에 가까운 나노포스트는 수평 방향으로 상기 제1위치에서 멀어지는 방향으로 상기 배열 구조 격자점에 대해 추가적인 변위가 적용될 수 있다.

상기 배열 구조 격자점의 배열은 상기 센서 기판의 단위 화소에 대해 7x7, 8x8, 11x11, 12x12 배열 구조를 이루며, 상기 배열 구조 격자점 중 일부나 전부에 나노포스트가 위치할 수 있다.

상기 복수의 광감지셀은, 상기 제1방향을 따라 배열된 제1광감지셀 및 제2광감지셀을 포함하며, 상기 나노포스트 배열은 상기 제1광감지셀 및 제2광감지셀 간 DTI 구조 상에서 수평 방향으로 상기 제1위치에 나노포스트가 위치하지 않도록 마련될 수 있다.

상기 제1 및 제2광감지셀은 각각 하나의 포토다이오드를 포함하거나, 상기 제1방향을 따라 배열된 복수의 포토다이오드를 포함할 수 있다.

상기 나노포스트 배열은 배열 구조 격자점 중 적어도 일부에 나노포스트들이 배열되도록 마련되며, 상기 배열 구조 격자점은 상기 DTI 구조 상에서 수평 방향으로 상기 제1위치에 위치하지 않도록 마련될 수 있다.

일 유형에 따른 전자 장치는, 광학상을 전기적 신호로 변환하는 이미지 센서;

상기 이미지 센서의 동작을 제어하고, 상기 이미지 센서에서 생성한 신호를 저장 및 출력하는 프로세서; 및 피사체로부터 오는 광을 상기 이미지 센서에 제공하는 렌즈 어셈블리;를 포함하고, 상기 이미지 센서는, 제1파장의 광을 감지하는 복수의 제1화소 및 제1파장과 상이한 제2파장의 광을 감지하는 복수의 제2화소를 포함하며, 상기 제1화소 및 제2화소를 포함하는 단위 화소의 2차원 배열을 가지는 센서 기판; 및 상기 제1 파장의 광의 위상을 변경하여 상기 제1 파장의 광을 각각의 제1 화소로 집광하고 상기 제2 파장의 광의 위상을 변경하여 상기 제2 파장의 광을 각각의 제2 화소로 집광하는 색분리 렌즈 어레이;를 구비하며, 상기 단위 화소의 적어도 일 화소는 제1 방향 및 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향 중 적어도 한 방향으로 배열되고, DTI 구조에 의해 전기적으로 분리되어 독립적으로 광을 감지하는 복수의 광감지셀을 포함하며, 상기 색분리 렌즈 어레이와 상기 센서 기판의 간격을 h, 상기 센서 기판의 화소에 대해 이에 대응하는 상기 색분리 렌즈 어레이의 영역이 수직 방향에 대해 이루는 각도를 θ1이라 할 때, 상기 색분리 렌즈 어레이는 상기 복수의 광감지셀 간 DTI 구조 상에서 수평 방향으로 h*tan(θ1)만큼 이격된 제1위치에 나노포스트가 위치하지 않도록 된 나노포스트 배열을 포함하여, 상기 색분리 렌즈 어레이에 의해 상기 DTI 구조를 벗어난 위치로 광을 집광시키며, 상기 프로세서는 상기 복수의 광감지셀의 광 감지 신호의 차이를 기초로 자동 초점 신호를 생성하도록 마련될 수 있다.

상기 복수의 광감지셀은, 상기 제1방향을 따라 배열된 제1광감지셀 및 제2광감지셀, 상기 제1광감지셀 및 제2광감지셀에 대해 상기 제2방향으로 배열된 제3광감지셀 및 제4광감지셀을 포함하며, 상기 제1광감지셀 및 제2광감지셀과 상기 제3광감지셀 및 제4광감지셀 간 상기 제1방향을 따르는 DTI 구조를 제1 DTI 구조, 상기 제1광감지셀 및 제3광감지셀과 상기 제2광감지셀 및 제4광감지셀 간 상기 제2방향을 따르는 DTI 구조를 제2 DTI 구조라 할 때, 상기 나노포스트 배열은 상기 제1 DTI 구조와 상기 제2 DTI 구조의 교차점 상에서 수평 방향으로 상기 제1위치에 나노포스트가 위치하지 않도록 마련되며, 상기 프로세서는 상기 제1광감지셀 및 제3광감지셀의 광 감지 신호와 상기 제2광감지셀 및 제4광감지셀의 광 감지 신호 차이로 자동 초점 신호를 생성하도록 마련될 수 있다.

상기 복수의 광감지셀은, 상기 제1방향을 따라 배열된 제1광감지셀 및 제2광감지셀을 포함하며, 상기 나노포스트 배열은 상기 제1광감지셀 및 제2광감지셀 간 DTI 구조 상에서 수평 방향으로 상기 제1위치에 나노포스트가 위치하지 않도록 마련되며, 상기 프로세서는 상기 제1광감지셀의 광 감지 신호와 상기 제2광감지셀의 광 감지 신호 차이로 자동 초점 신호를 생성하도록 마련될 수 있다.

상기 나노포스트 배열은 배열 구조 격자점 중 적어도 일부에 나노포스트들이 배열되도록 마련되며, 상기 배열 구조 격자점은 상기 DTI 구조의 교차점 상에서 수평 방향으로 상기 제1위치에 위치하지 않으며, 상기 배열 구조 격자점의 배열은 상기 센서 기판의 단위 화소에 대해 7x7, 8x8, 11x11, 12x12 배열 구조를 이루며, 상기 배열 구조 격자점 중 일부나 전부에 나노포스트가 위치할 수 있다.

실시예에 따른 이미지 센서 및 이를 포함하는 전자 장치에 따르면, 색분리 렌즈 어레이는 입사광을 흡수하거나 차단하지 않으면서 파장 별로 분리하여 집광하며, 이미지 센서의 복수의 광감지셀을 포함하는 화소에서 광감지셀 사이의 DTI를 벗어난 위치에 광이 주로 모이도록 하는 위상 분포를 형성할 수 있기 때문에, 이미지 센서의 광 이용 효율을 향상시킬 수 있다.

또한, 높은 대조비를 갖는 자동 초점 신호를 제공함으로써 이미지 센서 및 전자 장치의 자동 초점 성능을 향상시킬 수 있다.

도 1은 실시예에 따른 이미지 센서의 개략적인 블록도이다.
도 2a, 도 2b 및 도 2c는 이미지 센서의 화소 어레이의 다양한 배열을 도시한다.
도 3a 및 도 3b는 색분리 렌즈 어레이의 구조와 동작을 보이는 개념도이다.
도 4a 및 도 4b는 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 어레이의 각각 다른 단면에서 보이는 개략적인 단면도이다.
도 5a는 이미지 센서의 화소 어레이에서 화소의 배열을 예시적으로 보이는 평면도이다.
도 5b는 실시예에 따른 이미지 센서에서 센서 기판의 센싱 평면 상에서의 화소에 대해 색분리 렌즈 어레이 영역의 대응 위치의 관계를 예시적으로 보여준다.
도 6a는 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 어레이에서 색분리 렌즈 어레이의 복수의 화소 대응 영역에 복수의 나노포스트(NP)가 배열된 형태를 예시적으로 보이는 평면도이다.
도 6b는 도 6a의 일부 영역, 즉, 단위 화소에 대응하는 화소 대응 영역들에 포함된 나노포스트(NP)의 배열을 확대하여 보인 평면도이다.
도 7a는 나노포스트(NP)들이 배열된 이미지 센서의 단위 화소를 보인 평면도이다.
도 7b는 도 7a의 이미지 센서의 단위 화소에 형성되는 광 필드 프로파일(field profile)을 보여준다.
도 8 내지 도 11은 다양한 실시예의 나노포스트(NP) 배열 구조를 갖는 이미지 센서의 단위 화소를 보인 평면도이다.
도 12a는 색분리 렌즈 어레이를 통과한 녹색광의 화소 대응 영역들에서의 위상을 보여주며, 도 12b는 색분리 렌즈 어레이를 통과한 청색광의 화소 대응 영역들에서의 위상을 보여준다.
도 13a는 색분리 렌즈 어레이를 통과한 적색광의 화소 대응 영역들에서의 위상을 보여주며, 도 13b는 색분리 렌즈 어레이를 통과한 녹색광의 화소 대응 영역들에서의 위상을 보여준다.
도 14a 내지 도 14c는 자동 초점 기능의 원리를 설명하기 위하여 이미지 센서의 화소 어레이와 렌즈 사이의 거리 변화에 따른 이미지 센서의 화소 어레이에 입사하는 광의 분포 변화를 예시적으로 보이는 도면이다.
도 15a는 이미지 센서의 화소 어레이에 수직으로 광이 입사하는 경우에 센서 기판 상에 형성되는 광 분포를 예시적으로 보여주며, 도 15b는 이미지 센서의 화소 어레이에 경사지게 광이 입사하는 경우에 센서 기판 상에 형성되는 광 분포를 예시적으로 보인다.
도 16 내지 도 18은 위상차 검출 자동 초점 방식으로 자동 초점 신호를 제공하기 위한 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 어레이의 예시적인 구조를 보인 평면도이다.
도 19는 이미지 센서를 포함하는 전자 장치의 일 예를 나타내는 블럭도이다.
도 20은 도 19의 카메라 모듈을 예시하는 블럭도이다.
도 21 내지 도 30은 실시예들에 따른 이미지 센서들이 적용된 전자 장치의 다양한 예를 보인 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 예시적인 실시예들에 대해 상세히 설명하기로 한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 한편, 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다.

이하에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 것은 접촉하여 바로 위, 아래, 좌, 우에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위, 아래, 좌, 우에 있는 것도 포함할 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

“상기”의 용어 및 이와 유사한 지시 용어의 사용은 단수 및 복수 모두에 해당하는 것일 수 있다. 방법을 구성하는 단계들에 대하여 명백하게 순서를 기재하거나 반하는 기재가 없다면, 이러한 단계들은 적당한 순서로 행해질 수 있으며, 반드시 기재된 순서에 한정되는 것은 아니다.

또한, 명세서에 기재된 “...부”, “모듈” 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

도면에 도시된 구성 요소들 간의 선들의 연결 또는 연결 부재들은 기능적인 연결 및/또는 물리적 또는 회로적 연결들을 예시적으로 나타낸 것으로서, 실제 장치에서는 대체 가능하거나 추가의 다양한 기능적인 연결, 물리적인 연결, 또는 회로 연결들로서 나타내어질 수 있다.

모든 예들 또는 예시적인 용어의 사용은 단순히 기술적 사상을 상세히 설명하기 위한 것으로서 청구범위에 의해 한정되지 않는 이상 이러한 예들 또는 예시적인 용어로 인해 범위가 한정되는 것은 아니다.

도 1은 실시예에 따른 이미지 센서(1000)의 개략적인 블록도이다.

도 1을 참조하면, 이미지 센서(1000)는 화소 어레이((1100), 타이밍 컨트롤러(1010), 로우 디코더(1020), 및 출력 회로(1030)를 포함할 수 있다. 이미지 센서(1000)는 CCD(charge coupled device) 이미지 센서, 또는 CMOS(complementary metal oxide semiconductor) 이미지 센서일 수 있다.

화소 어레이(1100)는 복수의 로우와 컬럼을 따라 2차원 배열된 화소들을 포함한다. 로우 디코더(1020)는 타이밍 컨트롤러(1010)로부터 출력된 로우 어드레스 신호에 응답하여 화소 어레이(1100)의 로우들 중에서 하나를 선택한다. 출력 회로(1030)는 선택된 로우를 따라 배열된 복수의 화소로부터 컬럼 단위로 광감지 신호를 출력한다. 이를 위하여, 출력 회로(1030)는 컬럼 디코더와 아날로그-디지털 변환기(ADC; analog to digital converter)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 출력 회로(1030)는 컬럼 디코더와 화소 어레이(1100) 사이에서 컬럼 별로 각각 배치된 복수의 ADC 또는, 컬럼 디코더의 출력단에 배치된 하나의 ADC를 포함할 수 있다. 타이밍 컨트롤러(1010), 로우 디코더(1020), 및 출력 회로(1030)는 하나의 칩, 또는 각각 별개의 칩으로 구현될 수 있다. 출력 회로(1030)를 통해 출력된 영상 신호를 처리하기 위한 프로세서가 타이밍 컨트롤러(1010), 로우 디코더(1020), 및 출력 회로(1030)와 함께 하나의 칩으로 구현될 수도 있다.

화소 어레이(1100)는 서로 다른 파장의 광을 감지하는 복수의 화소를 포함할 수 있다. 화소의 배열은 다양한 방식으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 도 2a, 도 2b 및 도 2c는 이미지 센서(1000)의 화소 어레이(1100)의 다양한 배열을 도시한다.

먼저, 도 2a는 이미지 센서(1000)의 화소 어레이(1100)가 베이어 패턴(Bayer pattern)을 포함하는 예를 보여준다. 도 2a를 참조하면, 하나의 단위 화소는 네 개의 사분 영역(quadrant region)을 포함하며, 제1 내지 제4 사분면이 각각 청색 화소(B), 녹색 화소(G), 적색 화소(R), 녹색 화소(G)가 될 수 있다. 이러한 단위 화소가 제1 방향(X방향) 및 제2 방향(Y방향)을 따라 이차원적으로 반복 배열된다. 다시 말해, 2×2 어레이 형태의 단위 화소 내에서 한 쪽 대각선 방향으로 2개의 녹색 화소(G)가 배치되고, 다른 쪽 대각선 방향으로 각각 1개의 청색 화소(B)와 1개의 적색 화소(R)가 배치된다. 전체적인 화소 배열을 보면, 복수의 녹색 화소(G)와 복수의 청색 화소(B)가 제1방향을 따라 번갈아 배열되는 제1 행과 복수의 적색 화소(R)와 복수의 녹색 화소(G)가 제1방향을 따라 번갈아 배열되는 제2행이 제2 방향을 따라 반복적으로 배열된다.

그러나, 화소 어레이(1100)의 배열 방식은 베이어 패턴에만 한정되는 것이 아니며, 베이어 패턴 이외에도 다양한 배열 방식이 가능하다. 예를 들어, 도 2b에서와 같이, 마젠타(Magenta) 화소(M), 사이안(Cyan) 화소(C), 옐로우(Yellow) 화소(Y), 및 녹색 화소(G)가 하나의 단위 화소를 구성하는 CYGM 방식의 배열도 가능하다. 또한, 도 2c에서와 같이, 녹색 화소(G), 적색 화소(R), 청색 화소(B), 및 백색 화소(W)가 하나의 단위 화소를 구성하는 RGBW 방식의 배열도 가능하다. 또한, 도시되지는 않았지만 단위 화소가 3×2 어레이 형태를 가질 수도 있다. 그 밖에도 화소 어레이(1100)의 화소들은 이미지 센서(1000)의 색 특성에 따라 다양한 방식으로 배열될 수 있다. 이하에서는, 편의상 이미지 센서(1000)의 화소 어레이(1100)가 베이어 패턴을 갖는 것으로 예를 들어 설명하지만, 이하에서 설명하는 실시예들의 원리는 베이어 패턴이 아닌 다른 형태의 화소 배열에도 적용될 수 있다.

이미지 센서(1000)의 화소 어레이(1100)는 특정 화소에 대응하는 색의 빛을 집광하는 색분리 렌즈 어레이를 포함할 수 있다.

도 3a 및 도 3b는 색분리 렌즈 어레이(CSLA, Color Separating Lens Array) 의 구조와 동작을 보이는 개념도이다.

도 3a를 참조하면, 색분리 렌즈 어레이(CSLA, Color Separating Lens Array) 는 입사광(Li)의 위상을 파장에 따라 다르게 변화시키는 복수의 나노포스트(NP)를 포함할 수 있다. 색분리 렌즈 어레이(CSLA)는 다양한 방식으로 구획될 수 있다. 예를 들어, 입사광(Li)에 포함된 제1 파장 광(L_λ1)이 집광되는 제1 화소(PX1)에 대응하는 제1 화소 대응 영역(R1), 및 입사광(Li)에 포함된 제2 파장 광(L_λ2)이 집광되는 제2 화소(PX2)에 대응하는 제2 화소 대응 영역(R2)으로 구획될 수 있다. 제1 및 제2 화소 대응 영역(R1, R2)은 각각 하나 이상의 나노포스트(NP)를 포함할 수 있고, 각각 제1 및 제2 화소(PX1, PX2)와 마주하게 배치될 수 있다. 다른 예로, 색분리 렌즈 어레이(CSLA)는 제1 파장 광(L_λ1)을 제1 화소(PX1)에 집광하는 제1 파장 집광 영역(L1), 제2 파장 광(L_λ2)을 제2 화소(PX2)에 집광하는 제2 파장 집광 영역(L2)으로 구획될 수 있다. 제1 파장 집광 영역(L1)과 제2 파장 집광 영역(L2)은 일부 영역이 중첩될 수 있다.

색분리 렌즈 어레이(CSLA)는 입사광(Li)에 포함된 제1 및 제2 파장 광(L_λ1, L_λ2)에 각각 다른 위상 분포(Phase Profile)를 형성하여, 제1 파장 광(L_λ1)을 제1 화소(PX1)에 집광하고, 제2 파장 광(L_λ2)을 제2 화소(PX2)로 집광할 수 있다.

예를 들어, 도 3b를 참조하면, 색분리 렌즈 어레이(CSLA)는 색분리 렌즈 어레이(CSLA)를 통과한 직후의 위치, 즉, 색분리 렌즈 어레이(CSLA)의 하부 표면 위치에서, 제1 파장 광(L_λ1)이 제1 위상 분포(PP1)를 갖고 제2 파장 광(L_λ2)이 제2 위상 분포(PP2)를 갖도록 하여, 제1 및 제2 파장 광(L_λ1, L_λ2)이 각각 대응하는 제1 및 제2 화소(PX1, PX2)에 집광되도록 할 수 있다. 구체적으로, 색분리 렌즈 어레이(CSLA)를 통과한 제1 파장 광(L_λ1)은 제1 화소 대응 영역(R1)의 소정 부분에서 가장 크고, 이 부분에서 멀어지는 방향, 즉 제2 화소 대응 영역(R2) 방향으로 감소하는 제1 위상 분포(PP1)를 가질 수 있다. 이러한 위상 분포는 렌즈를 통과하여 수렴하는 광의 위상 분포와 유사하며, 제1 파장 광(L_λ1)은 제1 화소(PX1)에 집광될 수 있다. 또한, 색분리 렌즈 어레이(CSLA)를 통과한 제2 파장 광(L_λ2)은 제2 화소 대응 영역(R2)의 소정 부분에서 가장 크고, 이 부분에서 멀어지는 방향, 즉 제1 화소 대응 영역(R1) 방향으로 감소하는 제2 위상 분포(PP2)를 가져, 제2 파장 광(L_λ2)은 제2 화소(PX2)로 집광될 수 있다. 도 3b에서는 색분리 렌즈 어레이(CSLA)를 통과한 제1 파장 광(L_λ1)의 제1 위상 분포(PP1)와 제2 파장 광(L_λ2)의 제2 위상 분포(PP2)가, 제1 화소 대응 영역(R1)과 제2 화소 대응 영역(R2)의 중심에서 가장 큰 단순한 형태의 피크를 가지는 것으로 도시되어 있는데, 제1 위상 분포(PP1)와 제2 위상 분포(PP2)가 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 제1 위상 분포(PP1)와 제2 위상 분포(PP2)의 피크 부분이 복수의 피크가 존재하는 복합적인 위상 분포를 가지도록, 색분리 렌즈 어레이(CSLA)의 나노포스트(NP)들이 특정한 규칙으로 배열될 수 있다. 여기서, 규칙(rule)은 나노포스트(NP)의 형상, 크기(폭, 높이), 간격, 배열 형태 등의 파라미터에 적용되는 것으로, 이들 파라미터는 색분리 렌즈 어레이(CSLA)를 통해 구현하고자 하는 위상 분포(Phase Profile)에 따라 정해질 수 있다.

물질의 굴절률은 반응하는 빛의 파장에 따라 다르게 나타나기 때문에, 도 3b와 같이, 색분리 렌즈 어레이(CSLA)가 제1 및 제2 파장 광(L_λ1, L_λ2)에 대해 서로 다른 위상 분포를 제공할 수 있다. 다시 말하면, 동일한 물질이라도 물질과 반응하는 빛의 파장에 따라 굴절률이 다르고 물질을 통과했을 때 빛이 겪는 위상지연도 파장마다 다르기 때문에 파장별로 다른 위상 분포가 형성될 수 있다. 예를 들면, 제1 화소 대응 영역(R1)의 제1 파장 광(L_λ1)에 대한 굴절률과 제1 화소 대응 영역(R1)의 제2 파장 광(L_λ2)에 대한 굴절률이 서로 다를 수 있고, 제1 화소 대응 영역(R1)을 통과한 제1 파장 광(L_λ1)이 겪는 위상지연과 제1 화소 대응 영역(R1)을 통과한 제2 파장 광(L_λ2)이 겪는 위상지연이 다를 수 있으므로, 이러한 빛의 특성을 고려하여 색분리 렌즈 어레이(CSLA)를 설계하면, 제1 및 제2 파장 광(L_λ1, L_λ2)에 대해 서로 다른 위상 분포를 제공하도록 할 수 있다.

색분리 렌즈 어레이(CSLA)는 제1 및 제2 파장 광(L_λ1, L_λ2)이 각각 제1 및 제2 위상 분포(PP1, PP2)를 가지도록 특정한 규칙으로 배열된 나노포스트(NP)를 포함할 수 있다. 여기서, 규칙(rule)은 나노포스트(NP)의 형상, 크기(폭, 높이), 간격, 배열 형태 등의 파라미터에 적용되는 것으로, 이들 파라미터는 색분리 렌즈 어레이(CSLA)를 통해 구현하고자 하는 위상 분포(Phase Profile)에 따라 정해질 수 있다.

나노포스트(NP)가 제1 화소 대응 영역(R1)에 배치되는 규칙과 제2 화소 대응 영역(R2)에 배치되는 규칙은 서로 다를 수 있다. 다시 말하면, 제1 화소 대응 영역(R1)에 구비된 나노포스트(NP)의 크기, 형상, 간격 및/또는 배열이 제2 화소 대응 영역(R2)에 구비된 나노포스트(NP)의 크기, 형상, 간격 및/또는 배열과 다를 수 있다.

나노포스트(NP)는 단면의 지름이 서브 파장의 치수를 가질 수도 있다. 여기서 서브 파장은 분기 대상인 광의 파장 대역보다 작은 파장을 의미한다. 나노포스트(NP)는, 예를 들어, 제1 파장, 제2 파장 중 짧은 파장보다 작은 치수를 가질 수 있다. 입사광(Li)이 가시광인 경우, 나노포스트(NP)의 단면의 지름은 예를 들어 400 nm, 300 nm, 또는 200 nm 보다 작은 치수를 가질 수 있다. 한편 나노포스트(NP)의 높이는 500 nm 내지 1500 nm일 수 있고, 단면의 지름보다 높이가 클 수 있다. 도시하지는 않았지만, 나노포스트(NP)는 높이 방향(Z방향)으로 적층된 2개 이상의 포스트가 결합된 것일 수 있다.

나노포스트(NP)는 주변 물질에 비하여 높은 굴절률을 갖는 재료로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 나노포스트(NP)는 c-Si, p-Si, a-Si 및 Ⅲ-Ⅴ 화합물 반도체(GaP, GaN, GaAs 등), SiC, TiO₂, SiN 및/또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 주변 물질과 굴절률 차이를 가지는 나노포스트(NP)는 나노포스트(NP)를 지나가는 광의 위상을 변화시킬 수 있다. 이는 나노포스트(NP)의 서브 파장의 형상 치수에 의해 일어나는 위상 지연(phase delay)에 의한 것이며, 위상이 지연되는 정도는 나노포스트(NP)의 세부적인 형상 치수, 배열 형태 등에 의해 정해진다. 나노포스트(NP) 주변 물질은 나노포스트(NP)보다 낮은 굴절률을 갖는 유전체 재료로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 주변 물질은 SiO₂ 또는 공기(air)를 포함할 수 있다.

제1 파장(λ1)과 제2 파장(λ2)은 적외선 및 가시광선 파장 대역일 수 있으나, 이에 한정되지 않으며 복수의 나노포스트(NP)의 어레이의 배열 규칙에 따라 다양한 파장에서 동작할 수 있다. 또한, 두 개의 파장이 분기되어 집광되는 것을 예시하였으나 입사광이 파장에 따라 세 방향 이상으로 분기되어 집광될 수도 있다.

또한 색분리 렌즈 어레이(CSLA)가 1개 층인 경우를 예로 설명하였으나, 색분리 렌즈 어레이(CSLA)는 복수의 층이 적층된 구조일 수도 있다. 예를 들면, 1층은 가시광선을 특정 화소에 집광하고 2층은 적외선을 다른 화소에 집광하도록 설계할 수 있다.

이하에서는 색분리 렌즈 어레이(CSLA)가 이미지 센서(1000)의 화소 어레이(1100)에 적용된 예를 보다 상세하게 설명한다.

도 4a 및 도 4b는 실시예에 따른 이미지 센서(1000)의 화소 어레이(1100)의 각각 다른 단면에서 보이는 개략적인 단면도이다.

도 4a 및 도 4b를 참조하면, 이미지 센서(1000)의 화소 어레이(1100)는 광을 센싱하는 복수의 화소(111, 112, 113, 114)를 포함하는 센서 기판(110), 센서 기판(110) 상에 배치된 투명한 스페이서층(120), 및 스페이서층(120) 상에 배치된 색분리 렌즈 어레이(130)를 포함한다.

센서 기판(110)은, 제1파장의 광을 감지하는 복수의 제1화소 및 제1파장과 상이한 제2파장의 광을 감지하는 복수의 제2화소를 포함하며, 제1화소 및 제2화소를 포함하는 단위 화소의 2차원 배열을 가진다. 센서 기판(110)은 제1방향으로 제1화소와 제2화소의 반복 배열, 제1방향에 수직인 제2방향으로 제1화소와 제2화소의 반복 배열을 포함하며, 단위 화소는 2x2 배열된 4개의 화소를 포함할 수 있다. 또한, 색분리 렌즈 어레이(130)는 제1 파장의 광의 위상을 변경하여 제1 파장의 광을 각각의 제1 화소로 집광하고 제2 파장의 광의 위상을 변경하여 제2 파장의 광을 각각의 제2 화소로 집광하도록 마련된다.

예를 들어, 도 4a 및 도 4b에서의 이미지 센서(1000)의 화소 어레이(1100)가 도 2a와 같은 베이어 패턴의 화소 배열을 포함하는 경우, 센서 기판(110)은, 수신 광을 전기적 신호로 변환하는 제1 녹색 화소(111), 청색 화소(112), 적색 화소(113) 및 제2 녹색 화소(114)를 포함할 수 있다. 제1 녹색 화소(111) 및 청색 화소(112)가 도 4a에 도시된 바와 같이, 제1 방향(X 방향)을 따라 번갈아 배열되고, Y 방향의 위치가 다른 단면에서는 도 4b에 도시된 바와 같이, 적색 화소(113) 및 제2 녹색 화소(114)가 번갈아 배열될 수 있다.

한편, 실시예에 따른 이미지 센서(1000)에서 단위 화소의 화소들(111,112,113,114) 중 적어도 하나는 이미지 센서(1000)를 포함하는 카메라 장치의 자동 초점 기능을 구현할 수 있도록, 도 5a에 예시적으로 보인 바와 같이, 복수의 광감지셀을 포함할 수 있다. 복수의 광감지셀은 제1 방향(X 방향) 및 제1 방향(X 방향)에 수직한 제2 방향(Y 방향) 중 적어도 일 방향으로 배열되고, DTI 구조에 의해 전기적으로 분리되어 독립적으로 광을 감지하도록 마련될 수 있다.

도 5a는 이미지 센서(1000)의 화소 어레이(1100)에서 화소의 배열을 예시적으로 보이는 평면도이다. 도 5a는 이미지 센서(1000)의 화소 어레이(1100)가 도 2a와 같이 베이어 패턴 배열을 가지는 경우의 화소들의 배열을 보여준다. 도 5b는 실시예에 따른 이미지 센서(1000)에서 센서 기판(110)의 센싱 평면 상에서의 화소에 대해 색분리 렌즈 어레이(130) 영역의 대응 위치의 관계를 예시적으로 보여준다. 도 5b는 이미지 센서(1000)에 집속광이 입사되는 경우를 예시적으로 보인 것으로, 이미지 센서(1000)에 평행광이 입사되는 경우에는, 센서 기판(110)의 화소(Pa, Pb)에 각각 대응하는 색분리 렌즈 어레이(130)의 영역(d1, d2)은 화소(Pa, Pb) 상의 Pa', Pb'에 위치할 수 있다.

도 5a를 참조하면, 베이어 패턴 배열에서 단위 화소는 제1 및 제2 녹색 화소(111,114), 청색 화소(112), 적색 화소(113)를 포함하며, 화소 어레이(1100)는 이 단위 화소들이 반복되는 2차원 배열을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 녹색 화소(111, 114)는 녹색광을 센싱하고, 청색 화소(112)는 청색광을 센싱하며, 적색 화소(113)는 적색광을 센싱할 수 있다.

한편, 단위 화소의 화소(111,112,113,114) 중 적어도 하나는 도 5a에 예시적으로 보인 바와 같이, 이미지 센서(1000)를 포함하는 카메라 장치의 자동 초점 기능을 구현할 수 있도록, 복수의 광감지셀을 포함할 수 있다.

예를 들어, 도 5a를 참조하면, 화소들(111, 112, 113, 114)의 전부 또는 일부는 복수의 광감지셀을 포함할 수 있고, 1개의 화소에 포함된 복수의 광감지셀은 색분리 렌즈 어레이(130)의 집광 영역을 공유할 수 있다. 하나의 화소 내에 독립적으로 광을 감지할 수 있는 복수의 광감지셀을 포함하는 경우, 이미지 센서(1000)의 해상도가 향상될 수 있고, 각각의 광감지셀로부터 획득한 신호들의 차이를 이용하여 이미지 센서(1000) 및/또는 이미지 센서(1000)를 포함하는 카메라 장치의 자동 초점 기능을 구현할 수 있다. 도 5a의 실시예에서는 녹색, 청색, 및 적색 화소(111, 112, 113, 114)가 각각 2x2 배열의 4개의 광감지셀을 포함하는 예를 보여준다. 예를 들면, 제1 녹색 화소(111)는 제1-1 내지 제1-4 녹색광 감지셀(111a, 111b, 111c, 111d)을 포함하고, 청색 화소(112)는 제1 내지 제4 청색광 감지셀 (112a, 112b, 112c, 112d)을 포함하고, 적색 화소(113)는 제1 내지 제4 적색광 감지셀(113a, 113b, 113c, 113d)을 포함하고, 제2 녹색 화소(114)는 제2-1 내지 제2-4 녹색광 감지셀(114a, 114b, 114c, 114d)을 포함할 수 있다.

이와 같이, 1개의 화소에 복수의 광감지셀을 포함하는 경우, 광감지셀 사이는 DTI(Deep Trench Isolation)에 의해 전기적으로 분리된다. 따라서, 도 5a에 예시적으로 보인 바와 같이 1개의 화소에 예컨대, 4개의 광감지셀을 포함하고, 4개의 광감지셀이 2X2 배열을 가지는 경우, 광감지셀들 사이의 DTI 구조는 각 화소에 점선으로 나타낸 바와 같이, 각 화소의 중심에서 교차하게 된다. 그러므로, 색분리 렌즈 어레이(130)가 각 화소의 정가운데로 광이 모이도록 위상 분포를 형성하는 경우, 광의 상당량이 광감지셀 사이의 DTI 구조 교차점 상에 조사되어, 광손실이 발생하게 된다. 화소 크기가 작은 고해상도 이미지 센서에서, 이러한 DTI 구조 교차점 상에 광의 상당량이 조사되어 발생하는 광손실은 광감지셀들로부터 획득한 신호들의 차이를 이용하여 자동 초점 기능을 구현할 때, 자동 초점 신호비를 열화시키므로, 이러한 이미지 센서를 적용한 전자 장치에서 자동 초점 조절 성능이 약화될 수 있다.

실시예에 따른 이미지 센서(1000)에 따르면, 색분리 렌즈 어레이(130)를 광감지셀 사이의 DTI 구조를 벗어난 위치에 광이 주로 모이도록하는 위상 분포를 얻도록 형성함으로써, 광효율을 향상시킬 수 있으며, 자동 초점 신호비도 개선될 수 있다. 예를 들어, 실시예에 따른 이미지 센서(1000)에 따르면, 색분리 렌즈 어레이(130)는 복수의 광감지셀 간 DTI 구조 상에서 수평 방향으로 h*tan(θ1)만큼 이격된 제1위치에 나노포스트가 위치하지 않도록 된 나노포스트 배열을 포함하도록 마련되어, 광감지셀 사이의 DTI 구조를 벗어난 위치에 광이 주로 모이도록하는 위상 분포를 얻을 수 있으며, 이러한 색분리 렌즈 어레이(130)에 의해 DTI 구조를 벗어난 위치로 광을 집광시킬 수 있다.

도 5b를 참조하면, h는 색분리 렌즈 어레이(130)와 센서 기판(110)의 수직 방향 간격에 해당하며, θ1은 센서 기판(110)의 화소(예컨대, Pa, Pb 등)에 대해 이에 대응하는 색분리 렌즈 어레이(130)의 영역(예컨대, d1, d2 등)이 수직 방향(Z 방향)에 대해 이루는 각도를 나타낸다. 여기서, h는 도 4a 및 도 4b에서 스페이서층(120)의 두께에 해당할 수 있다.

이미지 센서(1000)로 입사되는 광의 입사각이 θ0라 할 때, θ1 = arcsin(sin(θ0)/n)이며, 센서 기판(110)의 화소와 이에 대응하는 색분리 렌즈 어레이(130)의 영역은 화소 상에서 수평 방향으로 h*tan(θ1)만큼 이격된다. n, h는 이미지 센서(1000)의 색분리 렌즈 어레이 평면(CSLA plane)과 센서 기판(110)의 센싱 평면 사이 매질 예컨대, 스페이서층(120)의 굴절율 및 수직 방향 두께에 해당할 수 있다.

예를 들어, 실시예에 따른 이미지 센서(1000)가 광학상을 전기적 신호로 변환하도록 전자 장치에 적용되는 경우, 이미지 센서(1000)에 입사되는 광은 집속광일 수 있다. 즉, 대상체로부터 반사된 광을 렌즈에 의해 집속하여 이미지 센서(1000)에서 광학상의 이미지를 획득할 수 있다.

이와 같이 이미지 센서(1000)에 집속광이 입사하는 경우, 이미지 센서(1000)의 중심(c)에는 주광선이 수직으로 입사하지만, 이미지 센서(1000)의 외곽에서는 주광선이 비스듬이 입사하게 되며, 주광선이 센서 기판(110)의 센싱면(Sensing plane)의 수직 방향에 대해 이루는 각도(θ1)는 이미지 센서(1000)의 외곽으로 갈수록 커질 수 있다.

도 5b에서는 이미지 센서(1000)에 집속광이 입사되는 경우를 예시적으로 보여준다. 이미지 센서(1000)에 집속광이 입사되는 경우, 센서 기판(110)의 화소(Pa, Pb)에 각각 대응하는 색분리 렌즈 어레이(130)의 영역(d1, d2)은 화소(Pa, Pb) 상의 색분리 렌즈 어레이 평면(CSLA plane)의 위치(Pa', Pb')로부터 수평 방향으로 h*tan(θ1)만큼 이격된 위치에 해당할 수 있다. 여기서, 이미지 센서(1000)에 평행광이 입사되는 경우에는, 센서 기판(110)의 화소(Pa, Pb)에 각각 대응하는 색분리 렌즈 어레이(130)의 영역(d1, d2)은 화소(Pa, Pb) 상의 Pa', Pb'에 위치할 수 있다.

따라서, 이미지 센서(1000)에 평행광이 입사하는 경우에는, h*tan(θ1)=0이므로, DTI 구조 상에서 수평 방향으로 h*tan(θ1)만큼 이격된 제1위치는 DTI 구조상에 위치하게 된다. 또한, 이미지 센서(1000)에 집속광이 입사되는 경우, 이미지 센서(1000)의 중심에서는 h*tan(θ1)=0이며, 중심에서 벗어날수록 h*tan(θ1) 값이 증가하게 되므로, DTI 구조 상에서 수평 방향으로 h*tan(θ1)만큼 이격된 제1위치는 이미지 센서(1000)의 중심에서는 DTI 구조 상에 위치하며, 이미지 센서(1000)의 중심에서 벗어난 위치에서는 DTI 구조 상에서 벗어나게 된다.따라서, 실시예에 따른 이미지 센서(1000)에 따르면, 색분리 렌즈 어레이(130)는 복수의 광감지셀 간 DTI 구조 상에서 수평 방향으로 h*tan(θ1)만큼 이격된 제1위치에 나노포스트가 위치하지 않도록 된 나노포스트 배열을 포함하여, 상기 색분리 렌즈 어레이에 의해 상기 DTI 구조를 벗어난 위치로 광을 집광시키도록 마련될 수 있으며, 제1위치는 이미지 센서(1000)에 입사되는 광의 입사 각도 및 이미지 센서(1000)의 중심에서 벗어난 정도에 따라 달라질 수 있다.

이와 같이, 실시예에 따른 이미지 센서(1000)에 따르면, 단위 화소의 화소(111,112,113,114) 중 적어도 하나는 도 5a에 예시적으로 보인 바와 같이, 이미지 센서(1000)를 포함하는 카메라 장치의 자동 초점 기능을 구현할 수 있도록, 복수의 광감지셀을 포함하도록 마련되며, 색분리 렌즈 어레이(130)는 광감지셀 사이의 DTI 구조를 벗어난 위치에 광이 주로 모이도록하는 위상 분포를 얻도록 형성될 수 있다.

도 5a 및 이에 대응되게 마련되는 이하에서 설명하는 색분리 렌즈 어레이(130)의 실시예에서는 녹색, 청색, 및 적색 화소(111, 112, 113, 114)가 모두 4개의 광감지셀을 구비하는 테트라셀(tetracell) 기술을 적용하는 예를 보여주는데, 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다.

예를 들어, 두개의 광감지셀을 하나의 화소로 묶는 듀얼 픽셀 기술이나, 4개보다 많은 수의 광감지셀을 하나의 화소로 묶는 기술이 적용될 수 있으며, 이때 색분리 렌즈 어레이(130)는, 각 화소에서 광감지셀 사이의 DTI 구조를 벗어난 위치에 광이 주로 모이도록하는 위상 분포를 얻도록 마련될 수 있다.

여기서, 단위 화소의 적어도 하나의 화소가 복수의 광감지셀을 포함하는 경우, 각각의 광감지셀로부터 획득한 신호들의 차이를 이용하여 자동 초점 기능을 구현하는 원리에 대해서는 후술한다.

한편, 다시 도 4a 및 도 4b를 참조하면, 스페이서층(120)은 센서 기판(110)과 색분리 렌즈 어레이(130) 사이에 배치되어 센서 기판(110)과 색분리 렌즈 어레이(130) 사이의 간격을 일정하게 유지시키는 역할을 한다. 스페이서층(120)은 가시광에 대해 투명한 물질, 예를 들어, SiO₂, 실란올계 유리(SOG; siloxane-based spin on glass) 등 나노포스트(NP)보다 낮은 굴절률을 가지면서 가시광 대역에서 흡수율이 낮은 유전체 물질로 이루어질 수 있다. 스페이서층(120)의 두께(120h)는 색분리 렌즈 어레이(130)에 의해 집광되는 광의 초점거리를 기준으로 정해질 수 있으며, 예를 들면, 후술하는 바와 같이 기준파장(λ₀) 광의 초점거리의 약 1/2일 수 있다. 색분리 렌즈 어레이(130)에 의해 집광되는 기준파장(λ₀) 광의 초점거리(f)는, 기준파장(λ₀)에 대한 스페이서층(120)의 굴절률을 n, 화소의 피치를 p라고 할 때, 다음의 [수학식 1]로 표시될 수 있다.

기준파장(λ₀)을 녹색광인 540 nm, 화소(111, 112, 113, 114)의 피치를 0.8 μm, 540 nm의 파장에서 스페이서층(120)의 굴절률(n)을 1.46이라고 가정하면, 녹색광의 초점거리(f), 즉, 색분리 렌즈 어레이(130)의 하부 표면과 녹색광이 수렴하는 지점 사이의 거리는 약 1.64 μm일 수 있고, 스페이서층(120)의 두께(120h)는 약 0.82 μm일 수 있다. 다른 예로 기준파장(λ₀)을 녹색광인 540 nm, 화소(111, 112, 113, 114)의 피치를 1.2 μm, 540 nm의 파장에서 스페이서층(120)의 굴절률(n)을 1.46이라고 가정하면, 녹색광의 초점거리(f)는 약 3.80 μm일 수 있고, 스페이서층(120)의 두께(120h)는 1.90 μm일 수 있다.

앞서 설명한 스페이서층(120)의 두께(120h)를 다른 말로 표현하면, 스페이서층(120)의 두께(120h)는 화소 피치가 0.5 μm 내지 0.9 μm 일 때, 화소 피치의 70% 내지 120% 일 수 있고, 화소 피치가 0.9 μm 내지 1.3 μm 일 때, 화소 피치의 110% 내지 180% 일 수 있다.

색분리 렌즈 어레이(130)는 스페이서층(120)에 의해 지지되며, 입사광의 위상을 변화시키는 나노포스트(NP)들 및 나노포스트(NP)들 사이에 배치되고 나노포스트(NP)보다 굴절률이 낮은 유전체, 예를 들면, 공기 또는 SiO₂를 포함할 수 있다.

도 6a는 실시예에 따른 이미지 센서(1000)의 화소 어레이(1100)에서 색분리 렌즈 어레이(130)의 복수의 화소 대응 영역에 복수의 나노포스트(NP)가 배열된 형태를 예시적으로 보이는 평면도이고, 도 6b는 도 6a의 일부 영역, 즉, 단위 화소에 대응하는 화소 대응 영역들(131, 132, 133, 134)에 포함된 나노포스트(NP)의 배열을 확대하여 보인 평면도이다.

도 5a, 도 6a 및 도 6b를 참조하면, 색분리 렌즈 어레이(130)는 예를 들어, 도 5a의 센서 기판(110)의 각 화소들(111, 112, 113, 114)에 대응하는 4개의 화소 대응 영역(131, 132, 133, 134)을 포함할 수 있다. 센서 기판(110)의 단위 화소가 2x2 배열된 4개의 화소(111, 112, 113, 114)를 포함할 때, 색분리 렌즈 어레이(130)는 이에 대응되는 2x2 배열의 4개의 화소 대응 영역(131, 132, 133, 134)이 2차원적으로 반복될 수 있다. 도 6a 및 도 6b에서 화소 대응 영역(131, 132, 133, 134)을 구획하는 선들은 가상의 선일 수 있으며, 색분리 렌즈 어레이(130)는 이 선들을 포함하지 않을 수 있다. 다른 예로서, 색분리 렌즈 어레이(130)에 화소 대응 영역(131, 132, 133, 134)을 구획하는 선에 해당하는 구조가 형성될 수도 있다.

실시예에 따른 이미지 센서의 화소 어레이(1100)가 베이어 패턴 배열을 가질 때, 색분리 렌즈 어레이(130)의 단위 패턴은 제1 및 제2녹색 화소 대응 영역(131,133), 청색 화소 대응 영역(132), 적색 화소 대응 영역(133)을 포함할 수 있다. 제1 녹색 화소 대응 영역(131)은 제1 녹색 화소(111)에 대응하며 연직 방향으로 제1 녹색 화소(111) 상부에 위치될 수 있고, 청색 화소 대응 영역(132)은 청색 화소(112)에 대응하며 연직 방향으로 청색 화소(112) 상부에 위치될 수 있고, 적색 화소 대응 영역(133)은 적색 화소(113)에 대응하며 연직 방향으로 적색 화소(113) 상부에 위치될 수 있고, 제2 녹색 화소 대응 영역(134)은 제2 녹색 화소(114)에 대응하며 연직 방향으로 제2 녹색 화소(114) 상부에 위치될 수 있다.

즉, 색분리 렌즈 어레이(130)의 화소 대응 영역들(131, 132, 133, 134)은 센서 기판(110)의 각 화소(111, 112, 113, 114)와 연직 방향으로 마주하게 위치될 수 있다. 화소 대응 영역들(131, 132, 133, 134)은 제1 녹색 화소 대응 영역 및 청색 화소 대응 영역(131, 132)이 번갈아 배열되는 제1 행과 적색 화소 대응 영역 및 제2 녹색 화소 대응 영역(133, 134)이 번갈아 배열되는 제2 행이 서로 교대로 반복되도록 제1 방향(X방향)과 제2 방향(Y방향)을 따라 이차원 배열될 수 있다. 색분리 렌즈 어레이(130)도 센서 기판(110)의 화소 어레이와 같이 2차원 배열된 복수의 단위 패턴을 포함하며, 각각의 단위 패턴은 2×2의 형태로 배열된 화소 대응 영역(131, 132, 133, 134)을 포함할 수 있다.

색분리 렌즈 어레이(130)는 제1 및 제2 녹색 화소(111, 114)로 녹색광이 분기되어 집광되고, 청색 화소(112)로 청색광이 분기되어 집광되며, 적색 화소(113)로 적색 광이 분기되어 집광되도록 크기, 형상, 간격 및/또는 배열이 정해진 나노포스트(NP)들을 포함할 수 있다. 한편, 제3 방향(Z방향)을 따른 색분리 렌즈 어레이(130)의 두께는 나노포스트(NP)의 높이와 유사할 수 있으며, 500 nm 내지 1500 nm일 수 있다.

실시예에 따른 이미지 센서(1000)에 따르면, 색분리 렌즈 어레이(130)의 화소 대응 영역들(131, 132, 133, 134)은 예를 들어, 원형단면을 가지는 원기둥 형태의 나노포스트(NP)들을 포함할 수 있고, 각 화소 대응 영역(131, 132, 133, 134)에는 각 화소(111, 112, 113, 114)의 복수의 광감지셀 간의 DTI 구조 상에서 수평 방향으로 제1위치를 벗어난 위치 상에 나노포스트(NP)가 위치하도록 나노포스트(NP)들이 배열될 수 있다.

도 6a 및 도 6b, 이하에서 설명하는 다른 도면들에서 참조번호 111h 및 111v는 각각 제1방향(X방향) 및 제2방향(Y방향)을 따르는 광감지셀 간의 DTI 구조를 나타내며, 참조번호 111p는 제1방향(X방향) 및 제2방향(Y방향)을 따르는 광감지셀 간의 DTI 구조가 교차되는 지점을 나타낸다. 또한 도 6a 및 도 6b, 이하에서 설명하는 다른 도면들에서 참조번호 Ph 및 Pv는 각각 제1방향(X방향) 및 제2방향(Y방향)을 따르는 화소간 경계선에 대응한다. 또한, 도 6a 및 도 6b, 이하에서 설명하는 다른 도면들에서는 이미지 센서(1000)의 중심부에서의 광감지셀 배열 및 이에 대응하는 나노포스트 배열을 예시적으로 보여준다. 광감지셀 배열 및 이에 대응하는 나노포스트 배열의 관계는, 이미지 센서(1000)의 중심부에서 벗어날수록 DTI 구조 상에서 수평 방향으로 제1위치에 나노포스트가 위치하지 않도록 달라질 수 있다.

실시예에 따른 이미지 센서(1000)에 있어서, 수평 방향으로 제1위치에 나노포스트(NP)가 위치하지 않도록 나노포스트가 배열될 때의 광감지셀 간의 DTI 구조는 제1방향(X방향)을 따르는 광감지셀 간의 DTI 구조(111h), 제2방향(Y방향)을 따르는 광감지셀 간의 DTI 구조(111v), 두 DTI 구조(111h, 111v)의 교차 지점(111p) 중 적어도 하나에 해당할 수 있다. 화소간 경계선(Ph, Pv)이나 화소 경계선의 교차점 상이나 이로부터 수평 방향으로 제1위치만큼 이격된 위치에는 나노포스트(NP)가 배치될 수 있다.

도 6a 및 도 6b, 이하의 실시예들에서는 제1방향(X방향)을 따르는 광감지셀 간의 DTI 구조(111h), 제2방향(Y방향)을 따르는 광감지셀 간의 DTI 구조(111v), DTI 구조 교차 지점(111p) 상에서 수평 방향으로 제1위치에 나노포스트가 위치하지 않도록 색분리 렌즈 어레이(130)가 마련된 경우를 예를 들어 설명하는데, 실시예가 이에 한정되는 것은 아니며, DTI 구조(111h), DTI 구조(111v), DTI 구조 교차점(111p) 중 어느 하나, 두 위치, 또는 DTI 구조(111h, 111v) 상의 일부 영역에서 수평 방향으로 제1위치에 나노포스트가 위치하지 않는 나노포스트 배열을 가지도록 색분리 렌즈 어레이(130)가 마련될 수도 있다.

도 5a에 보여진 바와 같이, 화소(111)를 예로 들면, 복수의 광감지셀은 제1 방향(X 방향)을 따라 배열된 제1광감지셀(111a) 및 제2광감지셀(111b), 제1광감지셀(111a) 및 제2광감지셀(111b)에 대해 제2방향 (Y 방향)으로 배열된 제3광감지셀(111c) 및 제4광감지셀(111d)을 포함하여, 각 화소가 2x2로 배열된 4개의 광감지셀(111a, 111b, 111c, 111d)을 포함하는 구조일 때, 도 6a 및 도 6b에 보여진 바와 같이 나노포스트 배열은 제1 DTI 구조와 상기 제2 DTI 구조의 교차점(111p) 상에서 수평 방향으로 제1위치에 나노포스트가 위치하지 않도록 마련될 수 있다. 여기서, 제1 DTI 구조(111h)는 제1광감지셀(111a) 및 제2광감지셀(111b)과 제3광감지셀(111c) 및 제4광감지셀(111d) 간 제1방향(X 방향)을 따르는 DTI 구조를 나타내며, 제2 DTI 구조(111v)는 제1광감지셀(111a) 및 제3광감지셀(111c)과 제2광감지셀(111b) 및 제4광감지셀(111d) 간 제2방향(Y 방향)을 따르는 DTI 구조를 나타낸다.

도 5a에서와 같이 각 화소가 2x2로 배열된 4개의 광감지셀을 포함하는 구조이고, 도 6a 및 도 6b에 보여진 바와 같이, 각 화소의 복수의 광감지셀 간의 DTI 구조 교차점(111p) 예컨대, 2x2 광감지셀 어레이의 정가운데 또는 각 화소의 정가운데에서 수평 방향으로 제1위치에 나노포스트(NP)가 위치하지 않도록 나노포스트(NP)들이 배열될 수 있다. 즉, 제1 및 제2 녹색 화소 대응 영역(131, 134) 중심, 청색 화소 대응 영역(132) 중심, 적색 화소 대응 영역(133)의 중심에 나노포스트가 위치하지 않도록 나노포스트(NP)들이 배치될 수 있다. 또한, 도 6a 및 도 6b에 보여진 바와 같이, 나노포스트(NP) 들이 등간격으로 배치될 때, 즉, 배열 구조 격자점에 배치될 때, 각 화소의 복수의 광감지셀 간의 DTI 구조 교차점(111p) 뿐만 아니라, 제1방향(X 방향) 및 제2방향(Y 방향)을 따르는 복수의 광감지셀 간의 DTI 구조(111h, 111v) 상에서 수평 방향으로 제1위치에도 나노포스트(NP)가 위치하지 않게 된다. 다른 예로서, 나노포스트가 배치되는 배열 구조 격자점이 DTI 구조의 교차점(111p) 상에서 수평 방향으로 제1위치에 위치하지 않으면서, 배열 구조 격자점 중 적어도 일부 예컨대, 배열 구조 격자점 중 일부나 전부에 나노포스트(NP)들이 배열되도록 나노포스트 배열이 마련될 수 있다.

도 6a 및 도 6b에서는, 단위 화소에 대응하는 4개의 화소 대응 영역들(131, 132, 133, 134)에 11 X 11 배열 구조로 나노포스트(NP)들이 배열되는 예를 보여준다. 이와 같이, 배열 구조 격자점 배열이 센서 기판(110)의 단위 화소에 대해 11x11 배열 구조를 이루며, 배열 구조 격자점 중 일부나 전부에 나노포스트가 위치하여, 나노포스트(NP) 들이 11 X 11 배열 구조로 배열될 때, 복수의 광감지셀 간의 DTI 구조(111h, 111v) 및 DTI 구조 교차점(111p) 상에서 수평 방향을 제1위치에는 나노포스트가 배치되지 않으며, 이에 따라 각 화소 대응 영역(131, 132, 133, 134)의 중심에서 수평 방향으로 제1위치에 나노포스트가 위치하지 않게 된다.

이와 같이, 실시예에 따른 이미지 센서(1000)에 따르면, 색분리 렌즈 어레이(130)의 화소 대응 영역(131, 132, 133, 134)의 중심에서 수평 방향으로 제1위치에 나노포스트가 위치하지 않도록 나노포스트(NP)들이 배열될 수 있으며, 이에 따라 DTI 구조 교차점(111p)에 해당하는 각 화소(111, 112, 113, 114)의 중심에 광이 집광되지 않게 되어, 광효율을 증가시킬 수 있으며, 자동 초점 신호비를 증가시킬 수 있다.

한편, 도 6a 및 도 6b, 후술하는 다른 실시예의 배열 구조에서는 나노포스트(NP)들의 단면 크기가 동일한 것으로 도시하고 있는데, 이는 나노포스트(NP)들의 배열 구조를 보이기 위해 예시적으로 보인 것일 뿐으로, 나노포스트(NP)들의 단면 크기의 한정을 나타내는 것은 아니다. 나노포스트(NP)들의 단면 크기는 나노포스트(NP)의 배치 위치에 따라 달라질 수 있다. 필요에 따라 다양한 형상, 크기, 배열의 나노포스트(NP)들이 적용될 수 있다.

예를 들어, 제1 및 제2 녹색 화소 대응 영역(131, 134)에 구비된 나노포스트(NP)들은 제1 방향(X방향) 및 제2 방향(Y방향)을 따라 서로 다른 분포 규칙을 가질 수 있다. 제1 및 제2 녹색 화소 대응 영역(131, 134)에 배치된 나노포스트(NP)들은 제1 방향(X방향) 및 제2 방향(Y방향)을 따라 다른 크기 배열을 가질 수 있다. 나노포스트(NP)들 중, 제1 녹색 화소 대응 영역(131)과 제1 방향(X방향)으로 인접한 청색 화소 대응 영역(132)과의 경계에 위치하는 나노포스트의 단면적과 제2 방향(Y방향)으로 인접하는 적색 화소 대응 영역(133)과의 경계에 위치하는 나노포스트들의 단면적은 서로 다를 수 있다. 마찬가지로, 제2 녹색 화소 대응 영역(134)과 제1 방향(X방향)으로 인접한 적색 화소 대응 영역(133)과의 경계에 위치하는 나노포스트의 단면적과 제2 방향(Y방향)으로 인접하는 청색 화소 대응 영역(132)과의 경계에 위치하는 나노포스트의 단면적은 서로 다를 수 있다.

반면, 청색 화소 대응 영역(132) 및 적색 화소 대응 영역(133)에 배치된 나노포스트(NP)들은 제1 방향(X방향) 및 제2 방향(Y방향)을 따라 대칭적인 분포 규칙을 가질 수 있다. 나노포스트(NP)들 중, 청색 화소 대응 영역(132)과 제1 방향(X방향)으로 인접한 화소 간의 경계에 놓이는 나노포스트와 제2 방향(Y방향)으로 인접한 화소 간의 경계에 놓이는 나노포스트의 단면적은 서로 같으며, 또한, 적색 화소 대응 영역(133)에서도 제1 방향(X방향)으로 인접한 화소 간의 경계에 놓이는 나노포스트와 제2 방향(Y방향)으로 인접한 화소 간의 경계에 놓이는 나노포스트의 단면적이 서로 같을 수 있다.

이러한 분포는, 베이어 패턴의 화소 배열에 기인한다. 청색 화소(112)와 적색 화소(113)는 모두 제1 방향(X방향)과 제2 방향(Y방향)으로 인접한 화소들이 녹색 화소(111, 114)로 동일한 반면, 제1 녹색 화소(111)는 제1 방향(X방향)으로 인접한 화소가 청색 화소(112)이고 제2 방향(Y방향)으로 인접한 화소가 적색 화소(113)로 서로 다르고, 제2 녹색 화소(114)는 제1 방향(X방향)으로 인접한 화소가 적색 화소(113)이고 제2 방향(Y방향)으로 인접한 화소가 청색 화소(114)로 서로 다르다. 그리고 제1 및 제2 녹색 화소(111, 114)는 네 대각 방향으로 인접하는 화소가 녹색 화소이고, 청색 화소(112)는 네 대각 방향으로 인접하는 화소가 적색 화소(113)로 서로 같고, 적색 화소(113)는 네 대각 방향으로 인접하는 화소가 청색 화소(112)로 서로 같다. 따라서, 청색 화소(112)와 적색 화소(113)에 대응하는 청색 및 적색 화소 대응 영역(132, 133)에서는 4방 대칭(4-fold symmetry)의 형태로 나노포스트(NP)들이 배열되고, 제1 및 제2 녹색 화소 대응 영역(131, 134)에서는 2방 대칭(2-fold symmetry)의 형태로 나노포스트(NP)들이 배열될 수 있다. 특히, 제1 및 제2 녹색 화소 대응 영역(131, 134)은 서로에 대해 90도 회전될 수 있다.

한편, 도 6a 및 도 6b, 후술하는 다른 실시예의 배열 구조에서 나노포스트(NP)들은 모두 대칭적인 원형의 단면 형상을 갖는 것으로 도시하였으나, 비대칭 형상의 단면 형상을 갖는 나노포스트가 일부 포함될 수도 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 녹색 화소 대응 영역(131, 134)에는 제1 방향(X방향)과 제2 방향(Y방향)의 폭이 서로 다른 비대칭 단면 형상을 갖는 나노포스트가 채용되고, 청색 및 적색 화소 대응 영역(132, 133)에는 제1 방향(X방향)과 제2 방향(Y방향)의 폭이 같은 대칭적인 단면 형상을 갖는 나노포스트가 채용될 수 있다. 예시된 나노포스트(NP)의 배열 규칙은 일 예시이며, 도시된 패턴에 한정되는 것은 아니다.

도 7a는 나노포스트(NP)들이 배열된 이미지 센서의 단위 화소를 보인 평면도이다. 도 7b는 도 7a의 이미지 센서의 단위 화소에 형성되는 광 필드 프로파일(field profile)을 보여준다. 도 7a에서 나노포스트(NP)들을 연결하는 선은 가상의 선으로, 센서 기판(110)의 각 화소들(111, 112, 113, 114)의 광감지셀 간의 DTI 구조(111h, 111v), 화소간 경계선(Ph, Pv)과 나노포스트(NP) 배열의 관계를 보이기 위한 것이다. 도 7b에서는 청색 화소(112)에 집광되는 청색광의 필드 프로파일을 예시적으로 보여준다.

도 7a을 참조하면, 각 화소(111,112,113,114)의 복수의 광감지셀 간의 DTI 구조(111h, 111v) 및/또는 DTI 구조 교차 지점(111p)에서 수평 방향으로 제1위치에 나노포스트가 위치하지 않도록, 나노포스트(NP)들은 N x N 배열 구조 예를 들어, 11x11 배열 구조로 이미지 센서의 단위 화소에 대해 배열될 수 있다.

도 7a에서와 같이, 나노포스트(NP)들이 11x11 배열 구조로 배열될 때, 각 화소의 복수의 광감지셀 간의 DTI 구조(111h, 111v) 및 DTI 구조 교차 지점(111p) 모두에서 수평 방향으로 제1위치에 나노포스트가 위치하지 않게 된다. 전술한 바와 같이, DTI 구조(111h, 111v) 및 DTI 구조 교차점(111p) 중 어느 하나나 두 위치 모두, 또는 DTI 구조(111h, 111v) 상의 일부 영역에서 수평 방향으로 제1위치에 나노포스트가 위치하지 않도록 나노포스트(NP) 들이 배열될 수 있다.

한편, 도 7a에서와 같이, 나노포스트(NP)들을 가상선으로 연결할 때, 나노포스트(NP)들이 놓여지는 위치는 배열 구조 격자점에 해당할 수 있다. 도 7a에서 보여진 바와 같이, 단위 화소에 대해, 11x11 배열 구조로 나노포스트(NP)들이 배열되는 경우, 배열 구조 격자점은 DTI 구조(111h, 111v) 및 DTI 구조 교차 지점(111p) 상에서 수평 방향으로 제1위치에 위치하지 않음을 알 수 있다.

도 7a에서는 배열 구조 격자점 각각에 나노포스트(NP)가 위치하도록 단위 화소에 나노포스트(NP)들이 배치되는 것을 보여주는데, 이는 예시적인 것으로, 광효율 및 자동초점 신호비 최적화를 위해, 배열 구조 격자점 중 일부에만 나노포스트가 위치할 수도 있다. 또한, 도 7a에서는 배열 구조 격자점에 배치되는 나노포스트(NP)들의 단면 크기는 광효율 및 자동초점 신호비 최적화를 위해, 위치에 따라 달라질 수 있다.

도 7a에서와 같은 실시예에 따른 나노포스트(NP) 배열 구조에 따르면, 나노포스트(NP)는 각 화소(111, 112, 113, 114)의 광감지셀 간의 DTI 구조(111h, 111v) 상에서 수평 방향으로 제1위치에 위치하지 않으며, DTI 구조 교차점(111p) 상에서 수평 방향으로 제1위치에 위치하지 않는다. 이에 따라, 예를 들어, 도 7b에 보여진 바와 같이, 청색 화소(112)에 집광되는 청색광은 광감지셀 간의 DTI 구조 교차점(111p)이나 광감지셀 간의 DTI 구조(111h, 111v)를 벗어난 위치에 집광될 수 있다. 마찬가지로, 제1 및 제2녹색 화소(111,114)에 집광되는 녹색광은 광감지셀 간의 DTI 구조 교차점(111p)이나 광감지셀 간의 DTI 구조(111h, 111v)를 벗어난 위치에 집광될 수 있다. 또한, 적색 화소(113)에 집광되는 적색광은 광감지셀 간의 DTI 구조 교차점(111p)이나 광감지셀 간의 DTI 구조(111h, 111v)를 벗어난 위치에 집광될 수 있다.

이와 같이, 각 화소(111,112,113,114)의 복수의 광감지셀 간의 DTI 구조(111h, 111v) 및 DTI 구조 교차점(111p) 모두에서 수평 방향으로 제1위치에 나노포스트가 위치하지 않도록, 이미지 센서의 단위 화소에 대해 나노포스트(NP)들을 배치할 때, 도 7b에 예시적으로 보인 바와 같이 각 화소(111,112,113,114)에 광감지셀 간의 DTI 구조(111h, 111v) 및 DTI 구조 교차점(111p)을 벗어난 위치에 광 필드를 형성할 수 있다.

이상에서는 각 화소에 광감지셀 간의 DTI 구조(111h, 111v)나 DTI 구조 교차점(111p)을 벗어난 위치에 광 필드를 형성하기 위해, 이미지 센서의 단위 화소에 대해 나노포스트(NP)들을 11x11 배열 구조로 배치하는 예를 설명 및 도시하였는데, 실시예가 이에 한정되는 것은 아니며, 이외에도 다양한 배열 구조로 이미지 센서의 단위 화소에 대해 나노포스트(NP)들이 배치될 수 있다. 즉, 단위 화소의 적어도 일 화소에서, 복수의 광감지셀 간의 DTI 구조(111h, 111v) 및 DTI 구조 교차점(111p) 모두 상에서 수평 방향으로 제1위치에 나노포스트가 위치하지 않거나, DTI 구조(111h), DTI 구조(111v), DTI 구조 교차 지점(111p) 중 어느 하나나 두 위치, 또는 DTI 구조(111h, 111v) 상의 일부 영역에서 수평 방향으로 제1위치에 나노포스트가 위치하지 않도록, 다양한 배열 구조로 나노포스트(NP) 들이 배열될 수 있다.

도 8 내지 도 11은 다양한 실시예의 나노포스트(NP) 배열 구조를 갖는 이미지 센서의 단위 화소를 보인 평면도이다. 도 8 내지 도 11에서 나노포스트(NP)들을 연결하는 선은 가상선으로, 센서 기판(110)의 각 화소들(111, 112, 113, 114)의 광감지셀 간의 DTI 구조((111h, 111v), 화소간 경계선(Ph, Pv)과 나노포스트(NP) 배열 구조의 관계를 보이기 위한 것이다.

도 8 내지 도 11을 참조하면, 배열 구조 격자점의 배열은 센서 기판(110)의 단위 화소에 대해 7x7, 8x8, 12x12 배열 구조를 이루며, 배열 구조 격자점 중 일부나 전부에 나노포스트가 위치할 수 있다.

예를 들어, 나노포스트(NP)들은 도 8에서와 같이 7x7 배열 구조로 이미지 센서의 단위 화소에 대해 배열될 수 있다. 나노포스트(NP)들은 도 9에서와 같이 8x8 배열 구조로 이미지 센서의 단위 화소에 대해 배열될 수 있다. 나노포스트(NP)들은 도 10에서와 같이 12x12 배열 구조로 이미지 센서의 단위 화소에 대해 배열될 수 있다. 나노포스트(NP)들을 도 8 내지 도 10에서와 같이, 가상선으로 연결할 때, 나노포스트(NP)들은 배치 구조 격자점에 놓여지게 배치될 수 있다. 도 8 내지 도 10에서는 배치 구조 격자점 각각에 나노포스트(NP)가 위치하도록 단위 화소에 나노포스트(NP)들이 배치되는 것을 보여주는데, 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 광효율 및 자동초점 신호비 최적화를 위해, 격자의 교차점 중 일부에만 나노포스트(NP)들이 위치할 수도 있다. 또한, 도 8 내지 도 10에서는 격자의 교차점에 배치되는 나노포스트(NP)들은 광효율 및 자동초점 신호비 최적화를 위해, 격자점 위치에 따라 그 크기가 달라질 수 있다.

실시예에 따른 이미지 센서(1000)에 있어서, 배열 구조 격자점의 배열은 센서 기판(110)의 단위 화소에 대해 7x7, 8x8, 12x12 배열 구조 이외에 다양한 배열 구조를 가질 수 있다. 이 경우에도, 나노포스트 위치를 이동시키거나, 나노포스트의 크기를 임의로 바꿈으로써, DTI 구조나 DTI 구조 교차점 예를 들어, 각 화소의 정 가운데 위치에서 수평 방향으로 제1위치에 나노포스트가 위치하지 않도록 할 수 있다.

한편, 실시예에 따른 이미지 센서(1000)에 따르면, 광효율 및 자동초점 신호비 조절을 위해, 광감지셀 간의 DTI 구조 교차점(111p) 상에서 수평 방향으로 제1위치에 가까운 나노포스트(NP)는 제1위치에서 멀어지는 방향으로 배열 구조 격자점에 대해 추가적인 변위가 적용될 수 있다. 예를 들어, 단위 화소의 적어도 일 화소가 2x2 배열된 4개의 광감지셀을 포함하는 구조일 때, 광감지셀의 2x2 배열의 가운데 위치에 가까운 나노포스들의 위치를 대칭적으로 이동시켜 위상 분포를 추가적으로 세밀하게 조절할 수 있다. 이때, 나노포스트의 추가적인 변화는 광효율을 향상시키거나 자동 초점 신호비를 개선하는 방향으로 이루어질 수 있으며, 나노포스트의 변위는 각 색채널별로 독립적으로 조절될 수 있다.

도 11은 나노포스트 배열 구조에서 광감지셀 간의 DTI 구조 교차점(111p)상에서 수평 방향으로 제1위치에 가까운 나노포스트에 대해 제1위치에서 멀어지는 방향으로 추가적인 변위를 적용한 예를 보여준다.

도 11을 참조하면, 단위 화소의 적어도 일 화소에, 나노포스트(NP)들 중 광감지셀 간의 DTI 구조 교차점(111p) 상에서 수평 방향으로 제1위치에 가까운 나노포스트들 중 적어도 일부에 제1위치 예컨대, 교차점(111p)에서 멀어지는 방향으로 추가적인 변위가 적용될 수 있다. 도 11에서 참조번호 NPd는 제1위치 예컨대, DTI 구조 교차점(111p)에서 멀어지는 방향으로 배열 구조 격자점에 대해 추가적인 변위가 적용된 이탈 나노포스트(deviated nanoposts)를 나타낸다.

도 11에서와 같이, 나노포스트(NP)들을 가상선으로 연결할 때, 대부분의 나노포스트(NP)들은 배열 구조 격자점에 놓여지며, 이탈 나노포스트(NPd)는 이 배열 구조 격자점에서 벗어나 위치된다.

예를 들어, 단위 화소가 2x2 배열된 4개의 화소(111, 112, 113, 114)를 포함할 때, 적어도 일 화소에 이탈 나노포스트(NPd)를 포함하도록 나노포스트(NP)들이 이미지 센서의 단위 화소에 대해 배열될 수 있다. 도 11에서는 단위 화소를 구성하는 각 화소(111, 112, 113, 114)에서 이탈 나노포스트(NPd)가 존재하도록 나노포스트(NP)들이 배치된 예를 보여준다. 각 화소(111, 112, 113, 114)에서의 이탈 나노포스트((NPd))의 변위 크기는 화소별 즉, 색채널별로 다르게 할 수 있다. 즉, 이탈 나노포스트(NPd)의 변위 크기는 각 파장에 맞도록 최적화할 수 있다.

도 11에서는 나노포스트(NP)들이 도 8에 대응되게 7x7 배열 구조로 이미지 센서의 단위 화소에 대해 배열되며, DTI 구조의 교차점(111p) 상에서 수평 방향으로 제1위치에 가까운 나노포스트들에 대해 제1위치 예컨대, 교차점에서 멀어지는 방향으로 추가적인 변위를 적용한 예를 보여주는데, 이는 예시적인 것으로, 이외에도 다양한 배열 구조에서 추가적인 변위가 적용될 수 있다. 예를 들어, DTI 구조의 교차점 상에서 수평 방향으로 제1위치에 가까운 나노포스트들을 제1위치 예컨대, DTI 구조의 교차점(111p)에서 멀어지는 방향으로 더 이동된 위치에 배치하도록 추가적인 변위를 적용하는 것은 도 8에 예시한 7x7 배열 구조뿐만 아니라, 다른 배열 구조 예를 들어, 도 6a, 도 6b 및 도 7a에 예시한 11x11 배열 구조, 도 9에 예시한 8x8 배열 구조, 도 10에 예시한 12x12 배열 구조에도 적용될 수 있다. 또한, 이외에도, DTI 구조 교차점 상에서 수평 방향으로 제1위치에 가까운 나노포스트들을 제1위치 예컨대, 교차점에서 멀어지는 방향으로 더 이동된 위치에 배치하도록 추가적인 변위를 적용하는 것은 다양한 배열 구조에 적용될 수 있다. 제1위치 예컨대, DTI 구조 교차점(111p)에 가까운 나노포스트들에 적용되는 추가적인 변위는 광효율 및 자동초점 신호비 조절을 위해 각 화소마다 다를 수 있다. 즉, 추가적인 변위의 크기는 색채널별로 다르게 하여 각 파장에 맞도록 최적화할 수 있다.

도 12a는 색분리 렌즈 어레이(130)를 통과한 녹색광의 화소 대응 영역들(131, 132, 133, 134)에서의 위상을 보이고, 도 12b는 색분리 렌즈 어레이(130)를 통과한 청색광의 화소 대응 영역들(131, 132, 133, 134)에서의 위상을 보인다. 도 12a를 참조하면, 색분리 렌즈 어레이(130)를 통과한 직후 위치, 다시 말해 색분리 렌즈 어레이(130)의 하부 표면 또는 스페이서층(120)의 상부 표면에서, 녹색광의 위상은, 제1 녹색 화소 대응 영역(131)에서 가장 크고, X방향 및 Y방향으로는 청색 및 적색 화소 대응 영역(132, 133)에서 최소가 되고, 대각선 방향으로는 제1 녹색 화소 대응 영역(131)과 제2 녹색 화소 대응 영역(134)의 접점에서 최소가 된다. 녹색광의 제1 녹색 화소 대응 영역(131)에서 출사되는 광의 위상을 기준으로 하여 2π라고 정하면, 청색 및 적색 화소 대응 영역(132, 133)에서는 위상이 0.9π 내지 1.1π, 제2 녹색 화소 대응 영역(134)에서는 위상이 2π, 제1 녹색 화소 대응 영역(131)과 제2 녹색 화소 대응 영역(134)의 접점에서는 위상이 1.1 π 내지 1.5 π인 광이 출사할 수 있다. 따라서, 제1 녹색 화소 대응 영역(131)을 통과한 녹색광과 청색 및 적색 화소 대응 영역(132, 133)을 통과한 녹색광의 위상 차이는 0.9π 내지 1.1π일 수 있다.

도 12b를 참조하면, 색분리 렌즈 어레이(130)를 투과한 직후의 위치에서 청색광의 위상이, 청색 화소 대응 영역(132)에서 가장 크고, X방향 및 Y방향으로는 제1 및 제2 녹색 화소 대응 영역(131, 134)에서 최소가 되고, 대각선 방향으로는 적색 화소 대응 영역(133)에서 최소가 된다. 청색광의 청색 화소 대응 영역(132)에서의 위상을 2π라고 하면, 제1 및 제2 녹색 화소 대응 영역(131, 134)에서의 위상은 예를 들어, 0.9π 내지 1.1π 일 수 있고, 적색 화소 대응 영역(133)에서의 위상은 제1 및 제2 녹색 화소 대응 영역(131, 134)에서의 위상보다 작은 값 예를 들어, 0.5π 내지 0.9π일 수 있다.

도 12c는 제1 녹색광 집광 영역으로 입사한 녹색광의 진행 방향을 예시적으로 보이며, 도 12d는 제1 녹색광 집광 영역의 어레이를 예시적으로 보인다.

제1 녹색 화소 대응 영역(131) 주변으로 입사한 녹색광은 색분리 렌즈 어레이(130)에 의해 도 12c에 도시한 것과 같이, 제1 녹색 화소(111)로 집광되며, 제1 녹색 화소(111)에는 제1 녹색 화소 대응 영역(131) 외에도 청색 및 적색 화소 대응 영역(132, 133)에서 오는 녹색광이 입사한다. 즉, 도 12a에서 설명한 녹색광의 위상 분포는 제1 녹색 화소 대응 영역(131)과 한 변을 맞대고 인접한 2개의 청색 화소 대응 영역(132)과 2개의 적색 화소 대응 영역(133)의 중심을 연결한 제1 녹색광 집광 영역(GL1)을 통과한 녹색광을 제1 녹색 화소(111)에 집광한다. 따라서, 도 12d에 도시된 바와 같이, 색분리 렌즈 어레이(130)는 제1 녹색 화소(111)에 녹색광을 집광하는 제1 녹색광 집광 영역(GL1) 어레이로 동작할 수 있다. 제1 녹색광 집광 영역(GL1)은 대응하는 제1 녹색 화소(111)보다 면적이 크고, 예를 들면, 1.2배 내지 2배 클 수 있다.

도 12e는 청색광 집광 영역으로 입사한 청색광의 진행 방향을 예시적으로 보이며, 도 12f는 청색광 집광 영역의 어레이를 예시적으로 보인다.

청색광은 색분리 렌즈 어레이(130)에 의해 도 12e와 같이 청색 화소(112)로 집광되며, 청색 화소(112)에는 화소 대응 영역들(131, 132, 133, 134)에서 오는 청색광이 입사한다. 앞서 도 12b에서 설명한 청색광의 위상 분포는 청색 화소 대응 영역(132)과 꼭지점을 맞대고 인접한 4개의 적색 화소 대응 영역(133)의 중심을 연결하여 만든 청색광 집광 영역(BL)를 통과한 청색광을 청색 화소(112)에 집광한다. 따라서, 도 12f에 도시된 바와 같이, 색분리 렌즈 어레이(130)는 청색 화소에 청색광을 집광하는 청색광 집광 영역(BL) 어레이로 동작할 수 있다. 청색광 집광 영역(BL)은 대응하는 청색 화소(112)보다 면적이 크고, 예를 들면, 1.5 내지 4배 클 수 있다. 청색광 집광 영역(BL)은 일부 영역이 전술한 제1 녹색광 집광 영역(GL1) 및 후술하는 제2 녹색광 집광 영역(GL2) 및 적색광 집광 영역(RL)과 중첩될 수 있다.

도 13a는 색분리 렌즈 어레이(130)를 통과한 적색광의 화소 대응 영역들(131, 132, 133, 134)에서의 위상을 보이고, 도 13b는 색분리 렌즈 어레이(130)를 통과한 녹색광의 화소 대응 영역들(131, 132, 133, 134)에서의 위상을 보인다.

도 13a를 참조하면, 색분리 렌즈 어레이(130)를 투과한 직후의 위치에서 적색광의 위상이, 적색 화소 대응 영역(133)에서 가장 크고, X방향 및 Y방향으로는 제1 및 제2 녹색 화소 대응 영역(131, 134)에서 최소가 되고, 대각선 방향으로는 청색 화소 대응 영역(132)에서 최소가 된다. 적색광의 적색 화소 대응 영역(133)에서의 위상을 2π라고 하면, 제1 및 제2 녹색 화소 대응 영역(131, 134)에서의 위상은 예를 들어, 0.9π 내지 1.1π 일 수 있고, 청색 화소 대응 영역(132)에서의 위상은 제1 및 제2 녹색 화소 대응 영역(131, 134)에서의 위상보다 작은 값 예를 들어, 0.6π 내지 0.9π일 수 있다.

도 13b를 참조하면, 색분리 렌즈 어레이(130)를 통과한 녹색광은 제2 녹색 화소 대응 영역(134)에서 가장 크다. 화소 대응 영역들(131, 132, 133, 134) 중심에서의 위상을 보여주는 도 12a와 도 13b의 위상 분포는 동일할 수 있다. 다시 한번 제2 녹색 화소 대응 영역(134)을 기준으로 녹색광의 위상 분포를 설명하면, 녹색광의 제2 녹색 화소 대응 영역(134)에서 출사되는 광의 위상을 기준으로 하여 2π라고 정하면, 청색 및 적색 화소 대응 영역(132, 133)에서는 위상이 0.9π 내지 1.1π, 제1 녹색 화소 대응 영역(131)에서는 위상이 2π, 제1 녹색 화소 대응 영역(131)과 제2 녹색 화소 대응 영역(134)의 접점에서는 위상이 1.1 π 내지 1.5 π인 광이 출사할 수 있다.

도 13c는 적색광 집광 영역으로 입사한 적색광의 진행 방향을 예시적으로 보이며, 도 13d는 적색광 집광 영역의 어레이를 예시적으로 보인다.

적색광은 색분리 렌즈 어레이(130)에 의해 도 13c와 같이 적색 화소(113)로 집광되며, 적색 화소(113)에는 화소 대응 영역들(131, 132, 133, 134)에서 오는 적색광이 입사한다. 앞서 도 13a에서 설명한 적색광의 위상 분포는 적색 화소 대응 영역(133)과 꼭지점을 맞대고 인접한 4개의 청색 화소 대응 영역(132)의 중심을 연결하여 만든 적색광 집광 영역(RL)을 통과한 적색광을 적색 화소(113)에 집광한다. 따라서, 도 13d에 도시된 바와 같이, 색분리 렌즈 어레이(130)는 적색 화소에 적색광을 집광하는 적색광 집광 영역(RL) 어레이로 동작할 수 있다. 적색광 집광 영역(RL)은 대응하는 적색 화소(113)보다 면적이 크고, 예를 들면, 1.5 내지 4배 클 수 있다. 적색광 집광 영역(RL)은 일부 영역이 제1 및 제2 녹색광 집광 영역(GL1, GL2) 및 청색광 집광 영역(BL)과 중첩될 수 있다.

도 13e 및 도 13f를 참조하면, 제2 녹색 화소 대응 영역(134) 주변으로 입사한 녹색광은 제1 녹색 화소 대응 영역(131) 주변으로 입사한 녹색광에 대해 설명한 것과 유사하게 진행하며, 도 13e에 도시한 것과 같이, 제2 녹색 화소(114)로 집광된다. 따라서, 도 13f에 도시된 바와 같이, 색분리 렌즈 어레이(130)는 제2 녹색 화소(114)에 녹색광을 집광하는 제2 녹색광 집광 영역(GL2) 어레이로 동작할 수 있다. 제2 녹색광 집광 영역(GL2)은 대응하는 제2 녹색 화소(114)보다 면적이 크고, 예를 들면, 1.2배 내지 2배 클 수 있다.

실시예에 따른 이미지 센서(1000)의 색분리 렌즈 어레이(130)는 다양한 방식의 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 자동화된 설계가 가능하다. 예를 들자면, 유전자 알고리즘(genetic algorithm), 입자 군집 최적화(particle swarm optimization) 알고리즘, 개미 집단 최적화(ant colony optimization) 등과 같은 자연 모사 알고리즘(nature-inspired algorithm)을 이용하거나 또는 어드조인트 최적화(adjoint optimization) 알고리즘에 기반한 역설계 방식을 통해 화소 대응 영역들(131, 132, 133, 134)의 구조를 최적화할 수 있다.

색분리 렌즈 어레이의 설계를 위하여, 색분리 스펙트럼, 광 효율, 신호대잡음비 등의 평가 요소들로 복수의 후보 색분리 렌즈 어레이들의 성능을 평가하면서 녹색, 청색, 적색 및 적외선 화소 대응 영역의 구조를 최적화할 수 있다. 예를 들어, 각각의 평가 요소에 대한 목표 수치값을 미리 결정한 후, 복수의 평가 요소들에 대한 목표 수치값과의 차이의 합을 최소화하는 방식으로 녹색, 청색, 적색 및 적외선 화소 대응 영역의 구조를 최적화할 수 있다. 또는, 각각의 평가 요소 별로 성능을 지표화하고, 성능을 나타내는 값이 최대가 되도록 녹색, 청색, 적색 및 적외선 화소 대응 영역의 구조를 최적화할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같은 색분리 렌즈 어레이(130)는 예시적인 것으로, 색분리 렌즈 어레이의 크기, 두께, 색분리 렌즈 어레이가 적용될 이미지 센서의 색 특성, 화소 피치, 색분리 렌즈 어레이와 이미지 센서 사이의 거리, 입사광의 입사각 등에 따라, 최적화 설계를 통해 다양한 형태의 색분리 렌즈 어레이를 얻을 수 있다.

앞서 설명한 바와 같이, 하나의 화소가 복수의 광감지셀을 포함하는 경우, 각각의 광감지셀로부터 획득한 신호들의 차이를 이용하여 자동 초점 기능을 구현할 수 있다. 도 14a 내지 도 14c는 자동 초점 기능의 원리를 설명하기 위하여 이미지 센서의 화소 어레이와 렌즈 사이의 거리 변화에 따른 이미지 센서의 화소 어레이에 입사하는 광의 분포 변화를 예시적으로 보이는 도면이다.

도 14a는 렌즈(LE)의 초점이 화소 어레이(1100)의 표면에 형성되는 경우를 도시한다. 이 경우, 렌즈(LE)의 물체측에 있는 광축(OX) 상의 한 점으로부터 출발하여 렌즈(LE)의 양쪽 가장자리를 각각 통과한 광은 화소 어레이(1100)의 표면 상의 한 점에 모이게 된다. 따라서, 초점이 정확하게 맞은 경우, 화소 어레이(1100)의 각각의 화소에는 한 점에서 출발하여 렌즈(LE)의 양쪽 가장자리를 각각 통과한 광이 동일한 세기로 입사할 수 있다. 도 14b는 렌즈(LE)의 초점이 화소 어레이(1100)의 표면 앞쪽에 형성되는 경우를 도시한다. 이 경우, 렌즈(LE)의 물체측에 있는 광축(OX) 상의 한 점으로부터 출발하여 렌즈(LE)의 양쪽 가장자리를 각각 통과한 광은 초점을 서로 교차하여 지나면서 화소 어레이(1100)의 표면 상의 서로 다른 점에 경사지게 입사한다. 예를 들어, 렌즈(LE)의 좌측 가장자리를 통과한 광은 초점을 지나 광축(OX)의 우측에 있는 화소 어레이(1100)의 표면 상의 한 점에 경사지게 입사하고, 렌즈(LE)의 우측 가장자리를 통과한 광은 초점을 지나 광축(OX)의 좌측에 있는 화소 어레이(1100)의 표면 상의 한 점에 경사지게 입사한다. 도 14c는 렌즈(LE)의 초점이 화소 어레이(1100)의 표면 뒤쪽에 형성되는 경우를 도시한다. 이 경우, 렌즈(LE)의 물체측에 있는 광축(OX) 상의 한 점으로부터 출발하여 렌즈(LE)의 양쪽 가장자리를 각각 통과한 광은 초점에 도달하기 전에 화소 어레이(1100)의 표면 상의 서로 다른 점에 경사지게 입사한다. 예를 들어, 렌즈(LE)의 좌측 가장자리를 통과한 광은 초점에 도달하기 전에 광축(OX)의 좌측에 있는 화소 어레이(1100)의 표면 상의 한 점에 경사지게 입사하고, 렌즈(LE)의 우측 가장자리를 통과한 광은 광축(OX)의 우측에 있는 화소 어레이(1100)의 표면 상의 한 점에 경사지게 입사한다. 따라서, 초점이 맞지 않은 경우, 도 14b 및 도 14c에 도시된 바와 같이, 한 점에서 출발하여 렌즈(LE)의 양쪽 가장자리를 각각 통과한 광이 화소 어레이(1100)의 서로 다른 화소에 입사하게 된다. 그러면, 각각의 화소에는 한 점에서 출발한 광 중에서 렌즈(LE)의 어느 한 쪽 가장자리만을 통과한 광이 경사지게 입사한다.

도 15a는 이미지 센서의 화소 어레이에 수직으로 광이 입사하는 경우에 센서 기판 상에 형성되는 광 분포를 예시적으로 보여주며, 도 15b는 이미지 센서의 화소 어레이에 경사지게 광이 입사하는 경우에 센서 기판 상에 형성되는 광 분포를 예시적으로 보인다.

도 15a를 참조하면, 색분리 렌즈 어레이(130)의 청색광 집광 영역에 수직으로 입사한 청색광이 청색 화소(112)에 포커싱되는 경우, 청색 화소(112)의 광감지셀들(112a, 112b, 112c, 112d)에는 4개의 광집중부가 균일하게 형성된다. 반면에, 도 15b를 참조하면, 색분리 렌즈 어레이(130)의 청색광 집광 영역에 경사지게 입사한 청색광이 청색 화소(112)에 포커싱되는 경우, 청색 화소(112)의 광감지셀들(112a, 112b, 112c, 112d)에는 4개의 광집중부가 균일하지 않게 형성된다. 도 15a와 비교할 때, 4개의 광집중부는 좌측 방향으로 치우쳐 위치하며, 좌측 광감지셀들(112a, 112c)에 형성된 광집중부의 면적 또는 세기가 우측 광감지셀들(112b, 112d)에 형성된 광집중부의 면적 또는 세기보다 크다. 광집중부의 시프트 방향 및 광집중부의 크기는 화소 어레이(1100)와 초점 사이의 거리, 화소 어레이(1100) 상에서 화소의 상대적인 위치에 따라 달라질 수 있다. 도 15a 및 도 15b에는 예시적으로 청색광만이 도시되었지만 녹색광과 적색광도 도 15a 및 도 15b와 유사한 광 분포를 형성할 수 있다.

상술한 바와 같이, 하나의 화소가 독립적으로 광을 감지하는 복수의 광감지셀을 포함하기 때문에, 복수의 광감지셀로부터 출력된 신호의 차이를 이용하면 위상차 검출 자동 초점(phase-detection auto-focus) 방식으로 자동 초점 신호를 제공할 수 있다.

도 16 내지 도 18은 위상차 검출 자동 초점 방식으로 자동 초점 신호를 제공하기 위한 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 어레이의 예시적인 구조를 보인 평면도이다.

도 16을 참조하면, 각 화소(111, 112, 113, 114)가 2x2 배열된 4개의 광감지셀을 포함할 때, 화소들의 광감지셀들 각각은 하나의 포토다이오드(PD)만을 포함할 수 있다. 청색 화소(112)를 예를 들어 설명하면, 제1 및 제3 청색광 감지셀(112a, 112c)의 포토다이오드(PD) 로부터 출력되는 광 감지 신호와, 제2 및 제4 청색광 감지셀(112b, 112d)의 포토다이오드(PD)로부터 출력되는 광 감지 신호를 검출하며, 따라서 제1 및 제3 청색광 감지셀(112a, 112c)의 광 감지 신호와 제2 및 제4 청색광 감지셀(112b, 112d)의 광 감지 신호의 차로부터 자동 초점 신호를 얻을 수 있다.

도 17은 위상차 검출 자동 초점 방식으로 자동 초점 신호를 제공하기 위한 다른 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 어레이의 예시적인 구조를 보인 평면도이다.

도 17을 참조하면, 각 화소(111, 112, 113, 114)가 2x2 배열된 4개의 광감지셀을 포함할 때, 화소들(111, 112, 113, 114)의 광감지셀들 각각은 X방향을 따라 배열된 복수의 포토다이오드 예컨대, 제1 포토다이오드(PD1) 및 제2 포토다이오드(PD2)를 포함할 수 있다. 하나의 광감지셀 내에 있는 제1 포토다이오드(PD1)와 제2 포토다이오드(PD2)는 독립적으로 광 감지 신호를 출력할 수 있다. 다시 말해, 화소 각각이 복수의 독립적인 광감지셀들을 포함하며, 광감지셀들 각각이 독립적인 2개의 포토다이오드(PD1, PD2)를 포함할 수 있다. 각각의 광감지셀의 일반적인 영상 신호는 제1 포토다이오드(PD1)와 제2 포토다이오드(PD2)의 광 감지 신호를 합하여 얻을 수 있다.

위와 같은 화소 구조에서, 하나의 화소는 X방향을 따라 서로 떨어져 있는 양측 가장자리 영역들 및 양측 가장지라 영역들 사이의 중간 영역으로 구획될 수 있다. 높은 대조비를 얻기 위하여, 자동 초점 신호는 하나의 화소 내에서 X방향으로 가장 멀리 떨어진 양측 가장자리 영역에 배치된 2개의 포토다이오드로부터 출력되는 광 감지 신호 사이의 차로부터 얻을 수 있다. 청색 화소(112)를 예를 들어 설명하자면, 청색 화소(112) 내에서 좌측 가장자리 영역에 배치된 제1 청색광 감지셀(112a)의 제1 포토다이오드(PD1)와 우측 가장자리 영역에 배치된 제2 청색광 감지셀(112b)의 제2 포토다이오드(PD2)가 X방향으로 서로 가장 멀리 떨어져 있다. 또한, 청색 화소(112) 내에서 제3 청색광 감지셀(112c)의 제1 포토다이오드(PD1)와 제4 청색광 감지셀(112d)의 제2 포토다이오드(PD2)가 X방향으로 서로 가장 멀리 떨어져 있다.

따라서, 청색 화소(112) 내에서 제1 청색광 감지셀(112a)의 제1 포토다이오드(PD1)로부터 출력된 광 감지 신호와 제2 청색광 감지셀(112b)의 제2 포토다이오드(PD2)로부터 출력된 광 감지 신호의 차로부터 자동 초점 신호를 얻을 수 있다. 또는, 제3 청색광 감지셀(112c)의 제1 포토다이오드(PD1)로부터 출력된 광 감지 신호와 제4 청색광 감지셀(112d)의 제2 포토다이오드(PD2)로부터 출력된 광 감지 신호 사이의 차로부터 자동 초점 신호를 얻을 수 있다. 또는, 제1 청색광 감지셀(112a)의 제1 포토다이오드(PD1)와 제3 청색광 감지셀(112c)의 제1 포토다이오드(PD1)로부터 출력된 광 감지 신호의 합과 제2 청색광 감지셀(112b)의 제2 포토다이오드(PD2)와 제4 청색광 감지셀(112d)의 제2 포토다이오드(PD2)로부터 출력된 광 감지 신호의 합 사이의 차로부터 자동 초점 신호를 얻을 수 있다.

다른 예로서, 화소들(111, 112, 113, 114)의 광감지셀들 각각은 X방향을 따라 배열된 복수의 포토다이오드 예컨대, 제1 포토다이오드(PD1) 및 제2 포토다이오드(PD2)를 포함하는 경우에도, 자동 초점 신호는, 예를 들어, 제1 및 제3 청색광 감지셀(112a, 112c)의 제1 및 제2포토다이오드(PD1, PD2)들로부터 출력되는 광 감지 신호와, 제2 및 제4 청색광 감지셀(112b, 112d)의 제1 및 제2포토다이오드(PD1, PD2)들로부터 출력되는 광 감지 신호를 검출하며, 따라서 제1 및 제3 청색광 감지셀(112a, 112c)의 광 감지 신호와 제2 및 제4 청색광 감지셀(112b, 112d)의 광 감지 신호의 차로부터 자동 초점 신호를 얻을 수 있다.

자동 초점 신호는 청색 화소(112)뿐만 아니라 제1 녹색 화소(111), 적색 화소(113) 및 제2 녹색 화소(114)에서도 동일한 방식으로 얻을 수 있다. 이미지 센서 내의 모든 화소들을 통해 자동 초점 신호를 얻을 수 있으며, 또는 이미지 센서 내에서 선택된 일부 화소들을 통해 자동 초점 신호를 얻을 수도 있다.

도 16 및 도 17에서는 하나의 화소가 2×2로 배열된 4개의 광감지셀을 갖는 것으로 설명하였으나, 실시예가 이에 한정되지는 않는다.

예를 들어, 도 18에서와 같이, 하나의 화소는 제1 방향(X 방향)을 따라 배열된 제1 및 제2광감지셀을 포함하고, 제1 및 제2광감지셀 각각은 하나의 포토다이오드(PD)를 포함할 수 있다. 청색 화소(112)를 예를 들면, 청색 화소(112)는 제1 방향(X 방향)을 따라 배열된 제1 및 제2광감지셀(112a, 112b)를 포함하고, 제1 및 제2광감지셀(112a, 112b) 각각은 하나의 포토다이오드를 포함할 수 있다. 다른 예로서, 청색 화소(112)가 제1 방향(X 방향)을 따라 배열된 제1 및 제2광감지셀(112a, 112b)를 포함할 때, 제1 및 제2광감지셀(112a, 112b) 각각은 제1 방향(X 방향)으로 배열된 복수의 포토다이오드를 포함할 수 있다. 이 경우에도, 실시예에 따른 색분리 렌즈 어레이(130)가 전술한 다양한 배열 구조의 나노포스트 배열을 가질 때, 제1 및 제2광감지셀(112a, 112b) 간 DTI 구조 상에서 수평 방향으로 제1위치에는 나노포스트가 위치하지 않으며, 제1광감지셀(112a)의 광 감지 신호와, 제2광감지셀(112b)의 광 감지 신호 사이의 차로부터 자동 초점 신호를 얻을 수 있다. 또한, 자동 초점 신호는 청색 화소(112)뿐만 아니라 제1 녹색 화소(111), 적색 화소(113) 및 제2 녹색 화소(114)에서도 동일한 방식으로 얻을 수 있다. 이미지 센서 내의 모든 화소들을 통해 자동 초점 신호를 얻을 수 있으며, 또는 이미지 센서 내에서 선택된 일부 화소들을 통해 자동 초점 신호를 얻을 수도 있다.

또 다른 예로서, 하나의 화소는, 3×3으로 배열된 9개의 광감지셀, 4×4로 배열된 16개의 광감지셀, 또는 그 이상의 복수의 광감지셀을 포함할 수도 있다.

이상에서 설명한 화소 어레이(1100)를 포함하는 이미지 센서(1000)는 컬러 필터, 예를 들면, 유기 컬러 필터에 의한 광 손실이 거의 없기 때문에 화소의 크기가 작아지더라도 화소에 충분한 양의 빛을 제공할 수 있다. 따라서 수 억개 이상의 화소를 갖는 초고해상도 초소형 고감도 이미지 센서의 제작이 가능하다. 이러한 초고해상도 초소형 고감도 이미지 센서는 다양한 고성능 광학 장치 또는 고성능 전자 장치에 채용될 수 있다. 이러한 전자 장치는, 예컨대, 스마트 폰(smart phone), 휴대폰, 핸드폰, PDA(personal digital assistant), 랩톱(laptop), PC, 다양한 휴대용 기기, 가전 제품, 보안 카메라, 의료용 카메라, 자동차, 사물인터넷(IoT;Internet of Things) 기기, 기타 모바일 또는 비모바일 컴퓨팅 장치 일 수 있고, 이에 제한되지 않는다.

전자 장치는 이미지 센서(1000) 외에도, 이미지 센서를 제어하는 프로세서, 예를 들면, 어플리케이션 프로세서(AP: Application Processor)를 더 포함할 수 있으며, 프로세서를 통해 운영 체제 또는 응용 프로그램을 구동하여 다수의 하드웨어 또는 소프트웨어 구성요소들을 제어할 수 있고, 각종 데이터 처리 및 연산을 수행할 수 있다. 프로세서는 GPU (Graphic Processing Unit) 및/또는 이미지 신호 프로세서(Image Signal Processor)를 더 포함할 수 있다. 프로세서는 이미지 센서(1000)의 동작을 제어하고, 이미지 센서(1000)에서 생성한 신호를 저장 및 출력할 수 있다. 즉, 프로세서에 이미지 신호 프로세서가 포함되는 경우, 이미지 센서에 의해 획득된 이미지(또는 영상)를 프로세서를 이용하여 저장 및/또는 출력할 수 있다. 또한, 프로세서는 이미지 센서의 각각의 화소 내에서 복수의 광감지셀의 광 감지 신호를 수신하고, 이 개의 광 감지 신호의 차이를 기초로 자동 초점 신호를 생성할 수 있다.

도 19는 이미지 센서(1000)를 포함하는 전자 장치(ED01)의 일 예를 나타내는 블럭도이다.

도 19를 참조하면, 네트워크 환경(ED00)에서 전자 장치(ED01)는 제1 네트워크(ED98)(근거리 무선 통신 네트워크 등)를 통하여 다른 전자 장치(ED02)와 통신하거나, 또는 제2 네트워크(ED99)(원거리 무선 통신 네트워크 등)를 통하여 또 다른 전자 장치(ED04) 및/또는 서버(ED08)와 통신할 수 있다. 전자 장치(ED01)는 서버(ED08)를 통하여 전자 장치(ED04)와 통신할 수 있다. 전자 장치(ED01)는 프로세서(ED20), 메모리(ED30), 입력 장치(ED50), 음향 출력 장치(ED55), 표시 장치(ED60), 오디오 모듈(ED70), 센서 모듈(ED76), 인터페이스(ED77), 햅틱 모듈(ED79), 카메라 모듈(ED80), 전력 관리 모듈(ED88), 배터리(ED89), 통신 모듈(ED90), 가입자 식별 모듈(ED96), 및/또는 안테나 모듈(ED97)을 포함할 수 있다. 전자 장치(ED01)에는, 이 구성요소들 중 일부(표시 장치(ED60) 등)가 생략되거나, 다른 구성요소가 추가될 수 있다. 이 구성요소들 중 일부는 하나의 통합된 회로로 구현될 수 있다. 예를 들면, 센서 모듈(ED76)(지문 센서, 홍채 센서, 조도 센서 등)은 표시 장치(ED60)(디스플레이 등)에 임베디드되어 구현될 수 있다.

프로세서(ED20)는, 소프트웨어(프로그램(ED40) 등)를 실행하여 프로세서(ED20)에 연결된 전자 장치(ED01) 중 하나 또는 복수개의 다른 구성요소들(하드웨어, 소프트웨어 구성요소 등)을 제어할 수 있고, 다양한 데이터 처리 또는 연산을 수행할 수 있다. 데이터 처리 또는 연산의 일부로, 프로세서(ED20)는 다른 구성요소(센서 모듈(ED76), 통신 모듈(ED90) 등)로부터 수신된 명령 및/또는 데이터를 휘발성 메모리(ED32)에 로드하고, 휘발성 메모리(ED32)에 저장된 명령 및/또는 데이터를 처리하고, 결과 데이터를 비휘발성 메모리(ED34)에 저장할 수 있다. 프로세서(ED20)는 메인 프로세서(ED21)(중앙 처리 장치, 어플리케이션 프로세서 등) 및 이와 독립적으로 또는 함께 운영 가능한 보조 프로세서(ED23)(그래픽 처리 장치, 이미지 시그널 프로세서, 센서 허브 프로세서, 커뮤니케이션 프로세서 등)를 포함할 수 있다. 보조 프로세서(ED23)는 메인 프로세서(ED21)보다 전력을 작게 사용하고, 특화된 기능을 수행할 수 있다.

보조 프로세서(ED23)는, 메인 프로세서(ED21)가 인액티브 상태(슬립 상태)에 있는 동안 메인 프로세서(ED21)를 대신하여, 또는 메인 프로세서(ED21)가 액티브 상태(어플리케이션 실행 상태)에 있는 동안 메인 프로세서(ED21)와 함께, 전자 장치(ED01)의 구성요소들 중 일부 구성요소(표시 장치(ED60), 센서 모듈(ED76), 통신 모듈(ED90) 등)와 관련된 기능 및/또는 상태를 제어할 수 있다. 보조 프로세서(ED23)(이미지 시그널 프로세서, 커뮤니케이션 프로세서 등)는 기능적으로 관련 있는 다른 구성 요소(카메라 모듈(ED80), 통신 모듈(ED90) 등)의 일부로서 구현될 수도 있다.

메모리(ED30)는, 전자 장치(ED01)의 구성요소(프로세서(ED20), 센서모듈(ED76) 등)가 필요로 하는 다양한 데이터를 저장할 수 있다. 데이터는, 예를 들어, 소프트웨어(프로그램(ED40) 등) 및, 이와 관련된 명령에 대한 입력 데이터 및/또는 출력 데이터를 포함할 수 있다. 메모리(ED30)는, 휘발성 메모리(ED32) 및/또는 비휘발성 메모리(ED34)를 포함할 수 있다. 비휘발성 메모리(ED32)는 전자 장치(ED01) 내에 고정 장착된 내장 메모리(ED36)과 탈착 가능한 외장 메모리(ED38)를 포함할 수 있다.

프로그램(ED40)은 메모리(ED30)에 소프트웨어로 저장될 수 있으며, 운영 체제(ED42), 미들 웨어(ED44) 및/또는 어플리케이션(ED46)을 포함할 수 있다.

입력 장치(ED50)는, 전자 장치(ED01)의 구성요소(프로세서(ED20) 등)에 사용될 명령 및/또는 데이터를 전자 장치(ED01)의 외부(사용자 등)로부터 수신할 수 있다. 입력 장치(ED50)는, 마이크, 마우스, 키보드, 및/또는 디지털 펜(스타일러스 펜 등)을 포함할 수 있다.

음향 출력 장치(ED55)는 음향 신호를 전자 장치(ED01)의 외부로 출력할 수 있다. 음향 출력 장치(ED55)는, 스피커 및/또는 리시버를 포함할 수 있다. 스피커는 멀티미디어 재생 또는 녹음 재생과 같이 일반적인 용도로 사용될 수 있고, 리시버는 착신 전화를 수신하기 위해 사용될 수 있다. 리시버는 스피커의 일부로 결합되어 있거나 또는 독립된 별도의 장치로 구현될 수 있다.

표시 장치(ED60)는 전자 장치(ED01)의 외부로 정보를 시각적으로 제공할 수 있다. 표시 장치(ED60)는, 디스플레이, 홀로그램 장치, 또는 프로젝터 및 해당 장치를 제어하기 위한 제어 회로를 포함할 수 있다. 표시 장치(ED60)는 터치를 감지하도록 설정된 터치 회로(Touch Circuitry), 및/또는 터치에 의해 발생되는 힘의 세기를 측정하도록 설정된 센서 회로(압력 센서 등)를 포함할 수 있다.

오디오 모듈(ED70)은 소리를 전기 신호로 변환시키거나, 반대로 전기 신호를 소리로 변환시킬 수 있다. 오디오 모듈(ED70)은, 입력 장치(ED50)를 통해 소리를 획득하거나, 음향 출력 장치(ED55), 및/또는 전자 장치(ED01)와 직접 또는 무선으로 연결된 다른 전자 장치(전자 장치(ED02) 등)의 스피커 및/또는 헤드폰을 통해 소리를 출력할 수 있다.

센서 모듈(ED76)은 전자 장치(ED01)의 작동 상태(전력, 온도 등), 또는 외부의 환경 상태(사용자 상태 등)를 감지하고, 감지된 상태에 대응하는 전기 신호 및/또는 데이터 값을 생성할 수 있다. 센서 모듈(ED76)은, 제스처 센서, 자이로 센서, 기압 센서, 마그네틱 센서, 가속도 센서, 그립 센서, 근접 센서, 컬러 센서, IR(Infrared) 센서, 생체 센서, 온도 센서, 습도 센서, 및/또는 조도 센서를 포함할 수 있다.

인터페이스(ED77)는 전자 장치(ED01)가 다른 전자 장치(전자 장치(ED02) 등)와 직접 또는 무선으로 연결되기 위해 사용될 수 있는 하나 또는 복수의 지정된 프로토콜들을 지원할 수 있다. 인터페이스(ED77)는, HDMI(High Definition Multimedia Interface), USB(Universal Serial Bus) 인터페이스, SD카드 인터페이스, 및/또는 오디오 인터페이스를 포함할 수 있다.

연결 단자(ED78)는, 전자 장치(ED01)가 다른 전자 장치(전자 장치(ED02) 등)와 물리적으로 연결될 수 있는 커넥터를 포함할 수 있다. 연결 단자(ED78)는, HDMI 커넥터, USB 커넥터, SD 카드 커넥터, 및/또는 오디오 커넥터(헤드폰 커넥터 등)를 포함할 수 있다.

햅틱 모듈(ED79)은 전기적 신호를 사용자가 촉각 또는 운동 감각을 통해서 인지할 수 있는 기계적인 자극(진동, 움직임 등) 또는 전기적인 자극으로 변환할 수 있다. 햅틱 모듈(ED79)은, 모터, 압전 소자, 및/또는 전기 자극 장치를 포함할 수 있다.

카메라 모듈(ED80)은 정지 영상 및 동영상을 촬영할 수 있다. 카메라 모듈(ED80)은 하나 또는 복수의 렌즈들을 포함하는 렌즈 어셈블리, 도 1의 이미지 센서(1000), 이미지 시그널 프로세서들, 및/또는 플래시들을 포함할 수 있다. 카메라 모듈(ED80)에 포함된 렌즈 어셈블리는 이미지 촬영의 대상인 피사체로부터 방출되는 빛을 수집할 수 있다.

전력 관리 모듈(ED88)은 전자 장치(ED01)에 공급되는 전력을 관리할 수 있다. 전력 관리 모듈(ED88)은, PMIC(Power Management Integrated Circuit)의 일부로서 구현될 수 있다.

배터리(ED89)는 전자 장치(ED01)의 구성 요소에 전력을 공급할 수 있다. 배터리(ED89)는, 재충전 불가능한 1차 전지, 재충전 가능한 2차 전지 및/또는 연료 전지를 포함할 수 있다.

통신 모듈(ED90)은 전자 장치(ED01)와 다른 전자 장치(전자 장치(ED02), 전자 장치(ED04), 서버(ED08) 등)간의 직접(유선) 통신 채널 및/또는 무선 통신 채널의 수립, 및 수립된 통신 채널을 통한 통신 수행을 지원할 수 있다. 통신 모듈(ED90)은 프로세서(ED20)(어플리케이션 프로세서 등)와 독립적으로 운영되고, 직접 통신 및/또는 무선 통신을 지원하는 하나 또는 복수의 커뮤니케이션 프로세서들을 포함할 수 있다. 통신 모듈(ED90)은 무선 통신 모듈(ED92)(셀룰러 통신 모듈, 근거리 무선 통신 모듈, GNSS(Global Navigation Satellite System 등) 통신 모듈) 및/또는 유선 통신 모듈(ED94)(LAN(Local Area Network) 통신 모듈, 전력선 통신 모듈 등)을 포함할 수 있다. 이들 통신 모듈 중 해당하는 통신 모듈은 제1 네트워크(ED98)(블루투스, WiFi Direct 또는 IrDA(Infrared Data Association) 같은 근거리 통신 네트워크) 또는 제2 네트워크(ED99)(셀룰러 네트워크, 인터넷, 또는 컴퓨터 네트워크(LAN, WAN 등)와 같은 원거리 통신 네트워크)를 통하여 다른 전자 장치와 통신할 수 있다. 이런 여러 종류의 통신 모듈들은 하나의 구성 요소(단일 칩 등)로 통합되거나, 또는 서로 별도의 복수의 구성 요소들(복수 칩들)로 구현될 수 있다. 무선 통신 모듈(ED92)은 가입자 식별 모듈(ED96)에 저장된 가입자 정보(국제 모바일 가입자 식별자(IMSI) 등)를 이용하여 제1 네트워크(ED98) 및/또는 제2 네트워크(ED99)와 같은 통신 네트워크 내에서 전자 장치(ED01)를 확인 및 인증할 수 있다.

안테나 모듈(ED97)은 신호 및/또는 전력을 외부(다른 전자 장치 등)로 송신하거나 외부로부터 수신할 수 있다. 안테나는 기판(PCB 등) 위에 형성된 도전성 패턴으로 이루어진 방사체를 포함할 수 있다. 안테나 모듈(ED97)은 하나 또는 복수의 안테나들을 포함할 수 있다. 복수의 안테나가 포함된 경우, 통신 모듈(ED90)에 의해 복수의 안테나들 중에서 제1 네트워크(ED98) 및/또는 제2 네트워크(ED99)와 같은 통신 네트워크에서 사용되는 통신 방식에 적합한 안테나가 선택될 수 있다. 선택된 안테나를 통하여 통신 모듈(ED90)과 다른 전자 장치 간에 신호 및/또는 전력이 송신되거나 수신될 수 있다. 안테나 외에 다른 부품(RFIC 등)이 안테나 모듈(ED97)의 일부로 포함될 수 있다.

구성요소들 중 일부는 주변 기기들간 통신 방식(버스, GPIO(General Purpose Input and Output), SPI(Serial Peripheral Interface), MIPI(Mobile Industry Processor Interface) 등)을 통해 서로 연결되고 신호(명령, 데이터 등)를 상호 교환할 수 있다.

명령 또는 데이터는 제2 네트워크(ED99)에 연결된 서버(ED08)를 통해서 전자 장치(ED01)와 외부의 전자 장치(ED04)간에 송신 또는 수신될 수 있다. 다른 전자 장치들(ED02, ED04)은 전자 장치(ED01)와 동일한 또는 다른 종류의 장치일 수 있다. 전자 장치(ED01)에서 실행되는 동작들의 전부 또는 일부는 다른 전자 장치들(ED02, ED04, ED08) 중 하나 또는 복수의 장치들에서 실행될 수 있다. 예를 들면, 전자 장치(ED01)가 어떤 기능이나 서비스를 수행해야 할 때, 기능 또는 서비스를 자체적으로 실행시키는 대신에 하나 또는 복수의 다른 전자 장치들에게 그 기능 또는 그 서비스의 일부 또는 전체를 수행하라고 요청할 수 있다. 요청을 수신한 하나 또는 복수의 다른 전자 장치들은 요청과 관련된 추가 기능 또는 서비스를 실행하고, 그 실행의 결과를 전자 장치(ED01)로 전달할 수 있다. 이를 위하여, 클라우드 컴퓨팅, 분산 컴퓨팅, 및/또는 클라이언트-서버 컴퓨팅 기술이 이용될 수 있다.

도 20은, 도 19의 카메라 모듈(ED80)을 예시하는 블럭도이다.

도 20을 참조하면, 카메라 모듈(ED80)은 렌즈 어셈블리(CM10), 플래시(CM20), 이미지 센서(1000)(도 1의 이미지 센서(1000) 등), 이미지 스태빌라이저(CM40), 메모리(CM50)(버퍼 메모리 등), 및/또는 이미지 시그널 프로세서(CM60)를 포함할 수 있다. 렌즈 어셈블리(CM10)는 이미지 촬영의 대상인 피사체로부터 방출되는 빛을 수집할 수 있다. 카메라 모듈(ED80)은 복수의 렌즈 어셈블리(CM10)들을 포함할 수도 있으며, 이런 경우, 카메라 모듈(ED80)은, 듀얼 카메라, 360도 카메라, 또는 구형 카메라(Spherical Camera)가 될 수 있다. 복수의 렌즈 어셈블리(CM10)들 중 일부는 동일한 렌즈 속성(화각, 초점 거리, 자동 초점, F 넘버(F Number), 광학 줌 등)을 갖거나, 또는 다른 렌즈 속성들을 가질 수 있다. 렌즈 어셈블리(CM10)는, 광각 렌즈 또는 망원 렌즈를 포함할 수 있다.

플래시(CM20)는 피사체로부터 방출 또는 반사되는 빛을 강화하기 위하여 사용되는 빛을 방출할 수 있다. 플래시(CM20)는 하나 또는 복수의 발광 다이오드들(RGB(Red-Green-Blue) LED, White LED, Infrared LED, Ultraviolet LED 등), 및/또는 Xenon Lamp를 포함할 수 있다. 이미지 센서(1000)는 도 1에서 설명한 이미지 센서일 수 있으며, 피사체로부터 방출 또는 반사되어 렌즈 어셈블리(CM10)를 통해 전달된 빛을 전기적인 신호로 변환함으로써, 피사체에 대응하는 이미지를 획득할 수 있다. 이미지 센서(1000)는, RGB 센서, BW(Black and White) 센서, IR 센서, 또는 UV 센서와 같이 속성이 다른 이미지 센서들 중 선택된 하나 또는 복수의 센서들을 포함할 수 있다. 이미지 센서(1000)에 포함된 각각의 센서들은, CCD(Charged Coupled Device) 센서 및/또는 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 센서로 구현될 수 있다.

이미지 스태빌라이저(CM40)는 카메라 모듈(ED80) 또는 이를 포함하는 전자 장치(CM01)의 움직임에 반응하여, 렌즈 어셈블리(CM10)에 포함된 하나 또는 복수개의 렌즈 또는 이미지 센서(1000)를 특정한 방향으로 움직이거나 이미지 센서(1000)의 동작 특성을 제어(리드 아웃(Read-Out) 타이밍의 조정 등)하여 움직임에 의한 부정적인 영향이 보상되도록 할 수 있다. 이미지 스태빌라이저(CM40)는 카메라 모듈(ED80)의 내부 또는 외부에 배치된 자이로 센서(미도시) 또는 가속도 센서(미도시)를 이용하여 카메라 모듈(ED80) 또는 전자 장치(ED01)의 움직임을 감지할 수 있다. 이미지 스태빌라이저(CM40)는, 광학식으로 구현될 수도 있다.

메모리(CM50)는 이미지 센서(1000)를 통하여 획득된 이미지의 일부 또는 전체 데이터가 다음 이미지 처리 작업을 위하여 저장할 수 있다. 예를 들어, 복수의 이미지들이 고속으로 획득되는 경우, 획득된 원본 데이터(Bayer-Patterned 데이터, 고해상도 데이터 등)는 메모리(CM50)에 저장하고, 저해상도 이미지만을 디스플레이 해준 후, 선택된(사용자 선택 등) 이미지의 원본 데이터가 이미지 시그널 프로세서(CM60)로 전달되도록 하는데 사용될 수 있다. 메모리(CM50)는 전자 장치(ED01)의 메모리(ED30)로 통합되어 있거나, 또는 독립적으로 운영되는 별도의 메모리로 구성될 수 있다.

이미지 시그널 프로세서(CM60)는 이미지 센서(1000)을 통하여 획득된 이미지 또는 메모리(CM50)에 저장된 이미지 데이터에 대하여 이미지 처리들을 수행할 수 있다. 이미지 처리들은, 깊이 지도(Depth Map) 생성, 3차원 모델링, 파노라마 생성, 특징점 추출, 이미지 합성, 및/또는 이미지 보상(노이즈 감소, 해상도 조정, 밝기 조정, 블러링(Blurring), 샤프닝(Sharpening), 소프트닝(Softening) 등)을 포함할 수 있다. 이미지 시그널 프로세서(CM60)는 카메라 모듈(ED80)에 포함된 구성 요소들(이미지 센서(1000) 등)에 대한 제어(노출 시간 제어, 또는 리드 아웃 타이밍 제어 등)를 수행할 수 있다. 이미지 시그널 프로세서(CM60)에 의해 처리된 이미지는 추가 처리를 위하여 메모리(CM50)에 다시 저장 되거나 카메라 모듈(ED80)의 외부 구성 요소(메모리(ED30), 표시 장치(ED60), 전자 장치(ED02), 전자 장치(ED04), 서버(ED08) 등)로 제공될 수 있다. 이미지 시그널 프로세서(CM60)는 프로세서(ED20)에 통합되거나, 프로세서(ED20)와 독립적으로 운영되는 별도의 프로세서로 구성될 수 있다. 이미지 시그널 프로세서(CM60)가 프로세서(ED20)와 별도의 프로세서로 구성된 경우, 이미지 시그널 프로세서(CM60)에 의해 처리된 이미지는 프로세서(ED20)에 의하여 추가의 이미지 처리를 거친 후 표시 장치(ED60)를 통해 표시될 수 있다.

또한 이미지 시그널 프로세서(CM60)는 이미지 센서(1000)의 각각의 화소 내에서 독립적으로 2개의 광 감지 신호를 수신하고, 2개의 광 감지 신호의 차로부터 자동 초점 신호를 생성할 수 있다. 이미지 시그널 프로세서(CM60)는 자동 초점 신호를 기초로 렌즈 어셈블리(CM10)의 초점이 이미지 센서(1000)의 표면에 정확하게 맞도록 렌즈 어셈블리(CM10)를 제어할 수 있다.

전자 장치(ED01)는 각각 다른 속성 또는 기능을 가진 복수의 카메라 모듈(ED80)들을 포함할 수 있다. 이런 경우, 복수의 카메라 모듈(ED80)들 중 하나는 광각 카메라이고, 다른 하나는 망원 카메라일 수 있다. 유사하게, 복수의 카메라 모듈(ED80)들 중 하나는 전면 카메라이고, 다른 하나는 후면 카메라일 수 있다.

실시예들에 따른 이미지 센서(1000)는 도 21에 도시된 모바일폰 또는 스마트폰(1100m), 도 22에 도시된 태블릿 또는 스마트 태블릿(1200), 도 23에 도시된 디지털 카메라 또는 캠코더(1300), 도 24에 도시된 노트북 컴퓨터(1400)에 또는 도 25에 도시된 텔레비전 또는 스마트 텔레비전(1500) 등에 적용될 수 있다. 예를 들어, 스마트폰(1100m) 또는 스마트 태블릿(1200)은 고해상 이미지 센서가 각각 탑재된 복수의 고해상 카메라를 포함할 수 있다. 고해상 카메라들을 이용하여 영상 내 피사체들의 깊이 정보를 추출하거나, 영상의 아웃포커싱을 조절하거나, 영상 내 피사체들을 자동으로 식별할 수 있다.

또한, 이미지 센서(1000)는 도 26에 도시된 스마트 냉장고(1600), 도 27에 도시된 보안 카메라(1700), 도 28에 도시된 로봇(1800), 도 29에 도시된 의료용 카메라(1900) 등에 적용될 수 있다. 예를 들어, 스마트 냉장고(1600)는 이미지 센서를 이용하여 냉장고 내에 있는 음식을 자동으로 인식하고, 특정 음식의 존재 여부, 입고 또는 출고된 음식의 종류 등을 스마트폰을 통해 사용자에게 알려줄 수 있다. 보안 카메라(1700)는 초고해상도 영상을 제공할 수 있으며 높은 감도를 이용하여 어두운 환경에서도 영상 내의 사물 또는 사람을 인식 가능하게 할 수 있다. 로봇(1900)은 사람이 직접 접근할 수 없는 재해 또는 산업 현장에서 투입되어 고해상도 영상을 제공할 수 있다. 의료용 카메라(1900)는 진단 또는 수술을 위한 고해상도 영상을 제공할 수 있으며 시야를 동적으로 조절할 수 있다.

또한, 이미지 센서(1000)는 도 30에 도시된 바와 같이 차량(2000)에 적용될 수 있다. 차량(2000)은 다양한 위치에 배치된 복수의 차량용 카메라(2010, 2020, 2030, 2040)를 포함할 수 있으며. 각각의 차량용 카메라(2010, 2020, 2030, 2040)는 실시예에 따른 이미지 센서를 포함할 수 있다. 차량(2000)은 복수의 차량용 카메라(2010, 2020, 2030, 2040)를 이용하여 차량(2000) 내부 또는 주변에 대한 다양한 정보를 운전자에게 제공할 수 있으며, 영상 내의 사물 또는 사람을 자동으로 인식하여 자율 주행에 필요한 정보를 제공할 수 있다.

상술한 색분리 렌즈 어레이를 구비하는 이미지 센서 및 이를 포함하는 전자 장치가 비록 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 권리범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 권리범위에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

110.....센서 기판 111, 112, 113, 114.....화소
120.....스페이서층 130.....색분리 렌즈 어레이
131, 132, 133, 134.....화소 대응 영역
1000.....이미지 센서 1100.....화소 어레이

Claims

제1파장의 광을 감지하는 복수의 제1화소 및 제1파장과 상이한 제2파장의 광을 감지하는 복수의 제2화소를 포함하며, 상기 제1화소 및 제2화소를 포함하는 단위 화소의 2차원 배열을 가지는 센서 기판; 및
상기 제1 파장의 광의 위상을 변경하여 상기 제1 파장의 광을 각각의 제1 화소로 집광하고 상기 제2 파장의 광의 위상을 변경하여 상기 제2 파장의 광을 각각의 제2 화소로 집광하는 색분리 렌즈 어레이;를 구비하며,
상기 단위 화소의 적어도 일 화소는 제1 방향 및 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향 중 적어도 한 방향으로 배열되고, DTI 구조에 의해 전기적으로 분리되어 독립적으로 광을 감지하는 복수의 광감지셀을 포함하며,
상기 색분리 렌즈 어레이와 상기 센서 기판의 간격을 h, 상기 센서 기판의 화소에 대해 이에 대응하는 상기 색분리 렌즈 어레이의 영역이 수직 방향에 대해 이루는 각도를 θ1이라 할 때,
상기 색분리 렌즈 어레이는 상기 복수의 광감지셀 간 DTI 구조 상에서 수평 방향으로 h*tan(θ1)만큼 이격된 제1위치에 나노포스트가 위치하지 않도록 된 나노포스트 배열을 포함하여, 상기 색분리 렌즈 어레이에 의해 상기 DTI 구조를 벗어난 위치로 광을 집광시키도록 된 이미지 센서.
제1항에 있어서, 상기 복수의 광감지셀은, 상기 제1방향을 따라 배열된 제1광감지셀 및 제2광감지셀, 상기 제1광감지셀 및 제2광감지셀에 대해 상기 제2방향으로 배열된 제3광감지셀 및 제4광감지셀을 포함하며,
상기 제1광감지셀 및 제2광감지셀과 상기 제3광감지셀 및 제4광감지셀 간 상기 제1방향을 따르는 DTI 구조를 제1 DTI 구조, 상기 제1광감지셀 및 제3광감지셀과 상기 제2광감지셀 및 제4광감지셀 간 상기 제2방향을 따르는 DTI 구조를 제2 DTI 구조라 할 때,
상기 나노포스트 배열은 상기 제1 DTI 구조와 상기 제2 DTI 구조의 교차점 상에서 수평 방향으로 상기 제1위치에 나노포스트가 위치하지 않도록 마련되는 이미지 센서.
제2항에 있어서, 상기 나노포스트 배열은 상기 제1 DTI 구조 및 제2 DTI 구조 중 적어도 하나 상에서 수평 방향으로 상기 제1위치에 나노포스트가 위치하지 않도록 마련되는 이미지 센서.
제2항에 있어서, 상기 제1 내지 제4광감지셀 각각은 하나의 포토다이오드를 포함하거나, 상기 제1방향을 따라 배열된 복수의 포토다이오드를 포함하는 이미지 센서.
제2항에 있어서, 상기 나노포스트 배열은, 상기 DTI 구조의 교차점상에서 수평 방향으로 상기 제1위치에 가까운 위치에서 상기 제1위치에서 멀어지는 방향으로 추가적인 변위가 적용된 이탈 나노포스트를 포함하는 이미지 센서.
제2항에 있어서, 상기 나노포스트 배열은 배열 구조 격자점 중 적어도 일부에 나노포스트들이 배열되도록 마련되며,
상기 배열 구조 격자점은 상기 DTI 구조의 교차점 상에서 수평 방향으로 상기 제1위치에 위치하지 않도록 된 이미지 센서.
제6항에 있어서, 상기 나노포스트는 상기 배열 구조 격자점 중 일부나 전부에 위치하는 이미지 센서.
제7항에 있어서, 상기 DTI 구조의 교차점 상에서 수평 방향으로 상기 제1위치에 가까운 나노포스트는 수평 방향으로 상기 제1위치에서 멀어지는 방향으로 상기 배열 구조 격자점에 대해 추가적인 변위가 적용되는 이미지 센서.
제6항에 있어서, 상기 배열 구조 격자점의 배열은 상기 센서 기판의 단위 화소에 대해 7x7, 8x8, 11x11, 12x12 배열 구조를 이루며,
상기 배열 구조 격자점 중 일부나 전부에 나노포스트가 위치하는 이미지 센서.
제1항에 있어서, 상기 복수의 광감지셀은, 상기 제1방향을 따라 배열된 제1광감지셀 및 제2광감지셀을 포함하며,
상기 나노포스트 배열은 상기 제1광감지셀 및 제2광감지셀 간 DTI 구조 상에서 수평 방향으로 상기 제1위치에 나노포스트가 위치하지 않도록 마련된 이미지 센서.
제10항에 있어서, 상기 제1 및 제2광감지셀은 각각 하나의 포토다이오드를 포함하거나, 상기 제1방향을 따라 배열된 복수의 포토다이오드를 포함하는 이미지 센서.
제10항에 있어서, 상기 나노포스트 배열은 배열 구조 격자점 중 적어도 일부에 나노포스트들이 배열되도록 마련되며,
상기 배열 구조 격자점은 상기 DTI 구조 상에서 수평 방향으로 상기 제1위치에 위치하지 않도록 된 이미지 센서.
제12항에 있어서, 상기 나노포스트는 상기 배열 구조 격자점 중 일부나 전부에 위치하는 이미지 센서.
제12항에 있어서, 상기 배열 구조 격자점의 배열은 상기 센서 기판의 단위 화소에 대해 7x7, 8x8, 11x11, 12x12 배열 구조를 이루며,
상기 배열 구조 격자점 중 일부나 전부에 나노포스트가 위치하는 이미지 센서.
광학상을 전기적 신호로 변환하는 이미지 센서;
상기 이미지 센서의 동작을 제어하고, 상기 이미지 센서에서 생성한 신호를 저장 및 출력하는 프로세서; 및
피사체로부터 오는 광을 상기 이미지 센서에 제공하는 렌즈 어셈블리;를 포함하고,
상기 이미지 센서는,
제1파장의 광을 감지하는 복수의 제1화소 및 제1파장과 상이한 제2파장의 광을 감지하는 복수의 제2화소를 포함하며, 상기 제1화소 및 제2화소를 포함하는 단위 화소의 2차원 배열을 가지는 센서 기판; 및
상기 제1 파장의 광의 위상을 변경하여 상기 제1 파장의 광을 각각의 제1 화소로 집광하고 상기 제2 파장의 광의 위상을 변경하여 상기 제2 파장의 광을 각각의 제2 화소로 집광하는 색분리 렌즈 어레이;를 구비하며,
상기 단위 화소의 적어도 일 화소는 제1 방향 및 상기 제1 방향에 수직한 제2 방향 중 적어도 한 방향으로 배열되고, DTI 구조에 의해 전기적으로 분리되어 독립적으로 광을 감지하는 복수의 광감지셀을 포함하며,
상기 색분리 렌즈 어레이와 상기 센서 기판의 간격을 h, 상기 센서 기판의 화소에 대해 이에 대응하는 상기 색분리 렌즈 어레이의 영역이 수직 방향에 대해 이루는 각도를 θ1이라 할 때,
상기 색분리 렌즈 어레이는 상기 복수의 광감지셀 간 DTI 구조 상에 상에서 수평 방향으로 h*tan(θ1)만큼 이격된 제1위치에 나노포스트가 위치하지 않도록 된 나노포스트 배열을 포함하여, 상기 색분리 렌즈 어레이에 의해 상기 DTI 구조를 벗어난 위치로 광을 집광시키며,
상기 프로세서는 상기 복수의 광감지셀의 광 감지 신호의 차이를 기초로 자동 초점 신호를 생성하는 전자 장치.
제15항에 있어서, 상기 복수의 광감지셀은, 상기 제1방향을 따라 배열된 제1광감지셀 및 제2광감지셀, 상기 제1광감지셀 및 제2광감지셀에 대해 상기 제2방향으로 배열된 제3광감지셀 및 제4광감지셀을 포함하며,
상기 제1광감지셀 및 제2광감지셀과 상기 제3광감지셀 및 제4광감지셀 간 상기 제1방향을 따르는 DTI 구조를 제1 DTI 구조, 상기 제1광감지셀 및 제3광감지셀과 상기 제2광감지셀 및 제4광감지셀 간 상기 제2방향을 따르는 DTI 구조를 제2 DTI 구조라 할 때,
상기 나노포스트 배열은 상기 제1 DTI 구조와 상기 제2 DTI 구조의 교차점 상에서 수평 방향으로 상기 제1위치에 나노포스트가 위치하지 않도록 마련되며,
상기 프로세서는 상기 제1광감지셀 및 제3광감지셀의 광 감지 신호와 상기 제2광감지셀 및 제4광감지셀의 광 감지 신호 차이로 자동 초점 신호를 생성하는 전자 장치.
제16항에 있어서, 상기 제1 내지 제4광감지셀 각각은 하나의 포토다이오드를 포함하거나, 상기 제1방향을 따라 배열된 복수의 포토다이오드를 포함하는 전자 장치.
제15항에 있어서, 상기 복수의 광감지셀은, 상기 제1방향을 따라 배열된 제1광감지셀 및 제2광감지셀을 포함하며,
상기 나노포스트 배열은 상기 제1광감지셀 및 제2광감지셀 간 DTI 구조 상에서 수평 방향으로 상기 제1위치에 나노포스트가 위치하지 않도록 마련되며,
상기 프로세서는 상기 제1광감지셀의 광 감지 신호와 상기 제2광감지셀의 광 감지 신호 차이로 자동 초점 신호를 생성하는 전자 장치.
제18항에 있어서, 상기 제1 및 제2광감지셀은 각각 하나의 포토다이오드를 포함하거나, 상기 제1방향을 따라 배열된 복수의 포토다이오드를 포함하는 전자 장치.
제15항에 있어서, 상기 나노포스트 배열은 배열 구조 격자점 중 적어도 일부에 나노포스트들이 배열되도록 마련되며,
상기 배열 구조 격자점은 상기 DTI 구조의 교차점 상에서 수평 방향으로 상기 제1위치에 위치하지 않으며,
상기 배열 구조 격자점의 배열은 상기 센서 기판의 단위 화소에 대해 7x7, 8x8, 11x11, 12x12 배열 구조를 이루며,
상기 배열 구조 격자점 중 일부나 전부에 나노포스트가 위치하는 전자 장치.